พื้นฐานทางกายภาพของมอเตอร์ไฟฟ้า

1. หลักการทางกายภาพของการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า

1.1 Maxwell's system of equations

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นทรานสดิวเซอร์ที่แปลงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังงานกลอย่างต่อเนื่อง

เมื่อป้อนพลังงานไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถส่งแรงบิดและพลังงานกลออกมาอย่างต่อเนื่อง

เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า ในทางกลับกัน หากแรงภายนอกผลักเพลาของมอเตอร์ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องและป้อนพลังงานกลเข้าไป มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถส่งแรงดันและพลังงานไฟฟ้าออกจากปลายสายได้อย่างต่อเนื่องในลักษณะย้อนกลับ นั่นคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ในอดีต หม้อแปลงไฟฟ้าสถิตยังถูกนับเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าด้วย แต่ค่อยๆ พัฒนาเพื่ออ้างถึงมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น

ข้อดีอย่างหนึ่งของมอเตอร์ไฟฟ้าคือการสูญเสียค่อนข้างน้อย จึงมีประสิทธิภาพสูง

มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถบรรลุประสิทธิภาพได้สูงถึง 99%

When talking about electromagnetic systems, Maxwell's system of equations is inevitable.

ในโลกมหภาคและแม้ในโลกจุลภาค

Maxwell's system of equations can be used very effectively to describe the system properties.

Maxwell's system of equations has been summarized from previous studies of electromagnetic phenomena.

มีสมการพื้นฐานสี่สมการทั้งในรูปดิฟเฟอเรนเชียลและอินทิกรัล

Now let's examine Maxwell's system of equations in integral form.

สมการสองสมการด้านบนอธิบายฟลักซ์ของความหนาแน่นของสนาม ตามลำดับ รวมของภาพการเปลี่ยนแปลงศักย์ไหลออก และภาพการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กหมุนทั้งหมดในพื้นที่ปิด

ตามความรู้ที่เรียนในโรงเรียนมัธยม สนามไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นโดยการกระตุ้นจุดประจุ สนามแม่เหล็กไม่สามารถถูกกระตุ้นโดยโมโนโพลแม่เหล็ก แต่เพื่อขยายเส้นทางปิด ดังนั้นสนามไฟฟ้าจึงทำงานอยู่ สนามแม่เหล็กคือ เฉยเมย

ดังนั้นฟลักซ์การเลื่อนที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมดคือประจุทั้งหมด q และฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดคือ 0

สมการสองสมการข้างต้นอธิบายปริมาณการหมุนของความเข้มของสนาม ปริพันธ์ของความเข้มของสนามไฟฟ้าทั้งหมด และความเข้มของสนามแม่เหล็กทั้งหมด

สอดคล้องกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กและอัตราการเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้น (ความเข้มของกระแส) ตามลำดับ สำหรับหนึ่งรอบตามเส้นทางของเส้นโค้งบนเส้นโค้งพื้นที่ปิด

สูตรเกาส์และสโตกส์ยังช่วยให้สามารถเขียนสมการทั้งสี่ข้างต้นใหม่ในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียลได้ดังนี้

▽ สำหรับตัวดำเนินการ Nabla โดยใช้เวกเตอร์ดอทโปรดักต์เพื่อคำนวณสแกตเตอร์และผลคูณทางแยกเพื่อคำนวณสปิน P สำหรับความหนาแน่นของประจุไฟฟ้า และ Jn สำหรับความหนาแน่นกระแส

สมการข้างต้นสามารถอธิบายพฤติกรรมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่เกิดขึ้นในระบบมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับโดยทั่วไป

1.2 โพลาไรเซชันของวัสดุและการทำให้เป็นแม่เหล็กสำหรับพลังงานไฟฟ้า

ในสนามแม่เหล็กหมุนด้วยไฟฟ้าที่ใช้ โมเลกุลของวัสดุจะเปลี่ยนทิศทางเนื่องจากขั้วได้รับผลกระทบจากความแรงของสนาม

โดเมนทางไฟฟ้าที่เกิดจากกลุ่มโมเลกุลดั้งเดิมที่มีขนาดต่างๆ ไม่เท่ากันจะถูกโพลาไรซ์เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่ใช้ และทิศทางการกระจายประจุจะบรรจบกัน

E0=8.854187817*10-12F/m คือค่าความอนุญาตของสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสุญญากาศด้วย และ P คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติของวัสดุเอง

(1.9) อธิบายถึงความหนาแน่นของการเลื่อนศักย์ของสนามไฟฟ้าที่ใช้และภาพความเข้มของโพลาไรเซชันที่สอดคล้องกัน

ในสนามแม่เหล็กที่ใช้ โดเมนแม่เหล็กที่สอดคล้องกันและความแรงของแม่เหล็กสามารถรับได้ในลักษณะเดียวกัน

ซึ่งแตกต่างจากสนามไฟฟ้า ความเข้มของโพลาไรซ์แม่เหล็ก M ถูกนำมาใช้ ซึ่งอธิบายถึงความแตกต่างระหว่างความแรงของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของวัสดุกับสภาพแวดล้อมของสุญญากาศ

U0=4π*10-7 N.A-2 คือความสามารถในการซึมผ่านของสุญญากาศ และ Ur คือความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ ซึ่งอธิบายถึงความสามารถของวัสดุในการยอมให้สนามแม่เหล็กผ่านได้

ถ้าคุณ<=1 เป็นสารต้านแม่เหล็ก วัสดุป้องกันการผ่านของสนามแม่เหล็ก หากภาพเป็นพาราแมกเนติก วัสดุนั้นจะเป็นไปตามเส้นทางผ่านของสนามแม่เหล็ก

ถ้าคุณ>=1o 5 เป็นเฟอร์โรแมกเนติก วัสดุเช่น เฟอร์โร-โคบอลต์ นิเกิล จะเพิ่มสนามแม่เหล็กหลังจากการทำให้เป็นแม่เหล็ก จากนั้นจึงรักษาความแรงของสนามแม่เหล็กไว้หลังจากเอาสนามแม่เหล็กออกแล้ว ซึ่งเรียกว่าแม่เหล็กที่เหลืออยู่

ในกระบวนการของการทำงานของมอเตอร์จะมีการดึงดูดและล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นควรให้ความสนใจกับการตรวจสอบเส้นฮิสเทรีซิสของวัสดุต่างๆ

เส้นฮิสเทรีซิสอธิบายถึงการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นของวัสดุแม่เหล็กเมื่อความแรงของสนามเพิ่มขึ้นภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กที่ใช้ความแรง H

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กนี้ไม่เป็นไปตามความแรงของสนามหลังจากถึงจุดอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก

หลังจากถึงจุดอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กแล้ว เป็นเรื่องยากที่จะติดตามความแรงของสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น เมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กภายนอกค่อยๆ ลดลงจนเป็นศูนย์ จะเห็นได้ว่าเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กยังคงรักษาสภาพแม่เหล็กที่เหลืออยู่ B เมื่อผ่านจุดศูนย์

การดึงดูดแม่เหล็กที่เหลืออยู่นี้แสดงหลักการทั่วไปของการผลิตแม่เหล็กถาวร นั่นคือ การดึงดูดแม่เหล็กแบบกำหนดทิศทางตามด้วยการล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างค่อยเป็นค่อยไป เมื่อใช้สนามแม่เหล็กผกผัน ความแรงของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะเป็นศูนย์หรือเพิ่มขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม และส่วนเกินนี้เรียกว่า coercivity H

1.3 แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังงานกล

คุณค่าสูงสุดของมอเตอร์คือการตระหนักถึงการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เพื่อทำงานภายนอกและดำเนินการเคลื่อนไหวตามเป้าหมาย

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับแรงลอเรนซ์ที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งการแสดงออกทางมหภาคคือแรงแอมแปร์ Hm = Il * B ซึ่งสามารถตัดสินได้โดยใช้กฎมือซ้ายเพื่อกำหนด ทิศทาง,

I คือความยาวที่มีประสิทธิภาพของตัวนำในสนามแม่เหล็กในทิศทางของกระแส

นอกจากนี้ยังมีแรงสนามไฟฟ้าที่สอดคล้องกันในสนามไฟฟ้าสถิต Fe=qE .

และทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าต่างก็เป็นสนามในตัวเอง และแรงที่กระทำต่อประจุหรือองค์ประกอบกระแสในพวกมันนั้นขึ้นอยู่กับปริมาตรและความหนาแน่นของสนาม ดังนั้น สามารถตรวจสอบแรงสนามที่สอดคล้องกันในรูปของสนามได้

สมการทั้งสองข้างต้นยังคงรักษาความสมมาตร ความหนาแน่นของประจุ P ในปริมาตรหนึ่งเนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าทำให้ความหนาแน่นของแรงไฟฟ้า fe = pE

ความหนาแน่นกระแส J ในปริมาตรหนึ่งเนื่องจากความแรงของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดความหนาแน่นของแรงแม่เหล็ก Fm = J * B (ต้องใช้สมการข้างต้น (1.12) ในกรณีของวัสดุไอโซทรอปิกและกระแสคงที่)

การแสดงออกนี้เป็นแรงบันดาลใจให้เราตรวจสอบพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยตรง

ด้วยวิธีนี้ พลังงานศักย์แม่เหล็กไฟฟ้า ณ จุดหนึ่งสามารถหาได้โดยการหาเกรเดียนต์เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน และด้วยเหตุนี้จึงหาแรงแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดบนวัตถุที่กำลังตรวจสอบ

1.4 แบบคอยล์

ขดลวดเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สร้างแบบจำลองของมอเตอร์เหนี่ยวนำ เชื่อมโยงแบบจำลองวงจรของมอเตอร์กระแสสลับกับแบบจำลองทางกายภาพของวัตถุ

ส่วนที่เป็นเส้นตรงของตัวนำที่มีพลังงานจะสร้างสนามแม่เหล็กแบบวงแหวนรอบๆ (ตามสมการ 1.4)

เมื่อตัวนำถูกปิดที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด สนาม Toroidal จะสร้างเส้นแรงแม่เหล็กที่ศูนย์กลางของวงแหวนตัวนำที่ผ่านในแนวตั้งผ่านวงแหวนตัวนำ เช่น โซลินอยด์

พิจารณาเฉพาะกระแสบนตัวนำที่มีพลังงาน (1.4) ลดความซับซ้อนเป็น:

แรงแม่เหล็ก (magnetische Durchfluchtung) ซึ่งเป็นที่มาของความแรงของสนามกระตุ้น โดยพื้นฐานแล้วคือความแรงของกระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านส่วนของตัวนำแบบปิดใน [A]

เนื่องจากในทางปฏิบัติลวดที่มีพลังงานจะพันเป็นขดลวด กระแสของลวดจึงแยกจากกัน และ (1.13) จึงเขียนใหม่เป็น

N คือจำนวนขดลวดทั้งหมดในขดลวด นั่นคือจำนวนรอบ

จะเห็นได้ว่าหากจำนวนรอบสูงขึ้น กระแสรวมจะสูงขึ้น ศักย์แม่เหล็กก็จะสูงขึ้น และสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น

ขดลวดแบบหมุนรอบเดียวในสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของเส้นลวด ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อธิบายโดย (1.3)

เป็นที่เข้าใจได้ว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถตีความได้ว่าเป็นความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กซึ่งสามารถรับได้โดยการแทนที่ (1.3)

Ui คือศักย์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ พิจารณาการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ได้ 2 รูปแบบ รูปแบบหนึ่งคือเปลี่ยนบริเวณขดลวดแต่เปลี่ยนความหนาแน่นของฟลักซ์ ดังนี้

ส่วนแรกคือศักยภาพการเหนี่ยวนำที่เปลี่ยนรูปแบบอย่างเป็นทางการ และส่วนหลังคือศักยภาพการเหนี่ยวนำที่แปรเปลี่ยนโดยการแปล

แบบแรกมีความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กที่แปรผันตามเวลา ในขณะที่แบบหลังมีพื้นที่คอยล์ที่มีประสิทธิภาพแปรผันตามเวลา

หลักการอุปนัยนี้ถูกกล่าวถึงในฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายและเป็นที่รู้จักกันว่าทฤษฎีบทฟลุต

เมื่อขดลวดมีหลายรอบ ฟลักซ์ที่มีประสิทธิผลทั้งหมดจะเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของการหมุนของขดลวดที่ขยาย ดังนั้น จึงแนะนำแนวคิดของโซ่แม่เหล็ก

โซ่ถูกกำหนดไว้ในรูปด้านล่าง

โปรดทราบว่าสายโซ่แม่เหล็กเป็นปริมาณสเกลาร์ เช่นเดียวกับฟลักซ์แม่เหล็ก เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ได้ แนวโน้มที่จะขัดขวางการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ ซึ่งสามารถกำหนดเป็น:

i คือความเข้มกระแสที่แตกต่างกัน L คือค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำตัวเองใน Henry [H] และขนาดของมันสัมพันธ์กับรูปร่างปริมาตรของขดลวด จำนวนรอบ และการซึมผ่านของแม่เหล็ก

คอยล์ในมอเตอร์เหนี่ยวนำถูกผลิตขึ้นเพื่อให้มีวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ตรงกลางของขดลวด เช่น แกนเหล็ก เพื่อเพิ่มการซึมผ่านของแม่เหล็ก เพื่อให้ขดลวดพันบนแกนเหล็ก จึงมีชื่อว่า ขดลวด

สำหรับส่วนของวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันเชิงเส้น ค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำตัวเองสามารถประมาณได้ด้วยสมการต่อไปนี้

ตัวเหนี่ยวนำตัวเองเป็นขดลวดของการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันของตัวเองเพื่อเหนี่ยวนำปรากฏการณ์ของแรงดันปราบปราม แนวโน้มที่จะขัดขวางการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง..

เมื่อสองขดลวดอยู่ใกล้กัน นอกเหนือจากการเหนี่ยวนำตัวเอง แต่ยังเนื่องจากขดลวดที่อยู่ใกล้เคียงในการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันและการเหนี่ยวนำร่วมกัน

ค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำร่วมกันของวัสดุที่มีลักษณะเฉพาะเชิงเส้นจะประมาณได้จากสมการข้างต้น ซึ่งแสดงว่าค่าความเหนี่ยวนำร่วมกันได้รับผลกระทบจากจำนวนรอบของขดลวดทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ละเว้นความต้านทานและตรวจสอบความเหนี่ยวนำของตัวเองและร่วมกันของขดลวดที่อยู่ติดกันสองตัว สมการแรงดันไฟฟ้าสามารถแสดงได้จากรูปที่ 1.5 เกี่ยวกับมอเตอร์กระแสตรง

เนื่องจากชิ้นส่วนคัปปลิ้งมีพารามิเตอร์และรูปร่างของวัสดุเหมือนกัน ค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำร่วมที่ได้จึงเท่ากับ M12=M21

ดังนั้นขนาดของห่วงโซ่ข้อต่อบนขดลวดแต่ละอันจึงแปรผันตามความแรงของกระแสไฟฟ้าบนขดลวดของโรเตอร์ที่สอดคล้องกันสำหรับมอเตอร์กระแสตรง

1.5 Ohm's theorem for electrical energy and magnetic circuits

In secondary school we studied Ohm's theorem, which states that the resistance of a conductor is the ratio of the voltage and current at both ends, and that there is a formula to describe the resistive material itself.

Q ซึ่งเป็นค่าการนำไฟฟ้า ซึ่งเท่ากับส่วนกลับของค่าความต้านทาน P และอธิบายถึงความสามารถในการนำกระแส

นอกจากการใช้ความต้านทานแล้ว ยังสามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าได้โดยใช้รูปภาพการนำไฟฟ้าเมื่อมอเตอร์ไฟฟ้าทำงาน

ตรวจสอบความเข้มกระแสต่อหน่วยพื้นที่ เช่น ความหนาแน่นกระแส J = I/A e (e คือเวกเตอร์หน่วย) โดยมีความหนาแน่นกระแสเป็นเวกเตอร์ที่ชี้ไปในทิศทางของกระแสสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ

สามารถรวมกับสมการแรงดันไฟฟ้า U=E.l และ (1.25) ที่เขียนใหม่ (1.26) เป็น

The above equation describes the Ohm's theorem at the microscopic level, i.e., the variation of the current density corresponding to a constant field strength applied to the conductor.

Lm คือความยาวที่มีประสิทธิภาพของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านส่วนของวงจรแม่เหล็ก และ A คือพื้นที่ฟลักซ์ที่สอดคล้องกัน

สมการข้างต้นคล้ายกับสูตรความต้านทาน

ให้เราเปลี่ยนรูปสูตรความต้านทานสนามแม่เหล็กอีกครั้ง และเราจะได้รับต่อไป

จะเห็นได้ว่าในหน่วยความต้านทานสนามแม่เหล็กนั้นตรงกันข้ามกับค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำ

ดำเนินการเปรียบเทียบกับแนวคิดของสื่อนำไฟฟ้าต่อไป เราได้รับสื่อนำไฟฟ้า A (magnetische Leitwert ใน [H] หรือ [Ωs])

In the circuit we find the differential elements for (1.26) and get the microscopic Ohm's theorem, so what is the microscopic Ohm's theorem corresponding to the magnetic circuit?

เราสามารถเขียนสมการใหม่ (1.31) ได้โดยสังเกตว่าฟลักซ์แม่เหล็กนั้นมีความหนาแน่นของฟลักซ์ B ซึ่งให้ผล

So the microscopic magnetic circuit Ohm's theorem is equation (1.10), and the magnetic field strength under is the flux density obtained from the magnetization of a constant magnetic field.

การวิเคราะห์เชิงคำนวณของความไม่เต็มใจสามารถใช้เพื่อรับรู้การวิเคราะห์องค์ประกอบระดับจุลภาคของฟลักซ์ในขดลวดมอเตอร์ทั้งหมด ส่วนหลัก และส่วนช่องว่างอากาศระหว่างกลาง ซึ่งสามารถรับรู้การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์แบบแยกส่วน FEM (Finite-Elemente-Methode) ของวงจรแม่เหล็กทั้งหมด

It is also possible to apply Kirchhoff's theorem for the circuit in the magnetic circuit, which is very intuitive and convenient.

ยินดีต้อนรับสู่แบ่งปันข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้าในพื้นที่แสดงความคิดเห็น!

หากมีข้อสงสัยเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้า โปรดติดต่อช่างไฟฟ้ามืออาชีพ ผู้ผลิต ใน จีน ดังนี้