동기 모터

단상 동기 모터

단상 동기 모터는 시간 기록, (시계) 및 테이프 플레이어와 같이 정확한 타이밍이 필요한 애플리케이션을 위해 작은 크기로 제공됩니다. 배터리로 작동되는 석영 조절 시계가 널리 사용 가능하지만 AC 라인으로 작동되는 시계는 몇 개월 동안 장기간 정확도가 더 좋습니다.

이는 발전소 운영자가 AC 배전 시스템 주파수의 장기간 정확도를 의도적으로 유지하기 때문입니다. 몇 사이클 뒤쳐지면 AC의 손실된 사이클을 보충하여 클록이 시간을 잃지 않도록 합니다.

대형 대 소형 동기 모터

10마력(10kW) 이상에서 더 높은 효율과 최고의 역률로 인해 대형 동기 모터는 산업 분야에서 유용합니다. 대형 동기 모터는 동기 모터가 더 복잡하지만 일반적인 유도 모터보다 몇 퍼센트 더 효율적입니다.

모터와 발전기는 구조가 비슷하기 때문에 발전기를 모터로 사용하고 반대로 모터를 발전기로 사용하는 것이 가능해야 합니다.

비동기식 모터는 회전 필드가 있는 교류 발전기와 유사합니다. 아래 그림은 영구 자석 회전 필드가 있는 작은 교류 발전기를 보여줍니다. 아래 그림은 기계적 에너지원에 의해 구동되는 2개의 병렬 및 동기화된 교류 발전기이거나 동기 모터를 구동하는 교류 발전기일 수 있습니다. 또는 외부 전원이 연결된 경우 두 개의 모터일 수 있습니다.

요점은 두 경우 모두 로터가 동일한 공칭 주파수에서 작동해야 하고 서로 위상이 같아야 한다는 것입니다. 즉, 동기화되어야 합니다. . 두 개의 교류 발전기를 동기화하는 절차는 (1) 스위치 열기, (2) 두 교류 발전기를 동일한 회전 속도로 구동, (3) 두 AC 출력의 위상이 같을 때까지 한 장치의 위상을 앞당기거나 늦추고, (4) 닫는 것입니다. 위상이 바뀌기 전에 스위치를 켜십시오.

동기화되면 교류 발전기가 서로 잠기므로 한 장치를 다른 장치에서 느슨하게(동기화되지 않음) 분리하는 데 상당한 토크가 필요합니다.

발전기와 함께 작동하는 동기 모터

동기 모터를 사용한 토크 계산

회전 방향의 더 많은 토크가 위의 회전하는 교류 발전기 중 하나의 회전자에 가해지면 회전자의 각도는 여전히 동기화되어 있는 동안 고정자 코일의 자기장에 대해 ((3)의 반대) 진행됩니다. 로터는 교류 발전기처럼 AC 라인에 에너지를 전달합니다.

회전자는 다른 교류 발전기의 회전자에 대해서도 전진합니다. 위의 장치 중 하나에 브레이크와 같은 부하가 가해지면 회전자의 각도가 (3)과 같이 고정자 필드에 지연되어 모터와 같이 AC 라인에서 에너지를 추출합니다.

과도한 토크나 드래그가 가해지면 로터가 최대 토크 각도를 초과합니다. 동기화가 손실될 정도로 진행 또는 지연됩니다. 모터의 동기가 유지되어야만 토크가 발생합니다.

동기식 모터의 속도 향상

알터네이터 대신에 소형 동기전동기의 경우 알터네이터를 위한 정교한 동기화 절차를 거칠 필요가 없습니다. 그러나 동기 모터는 자동 시동되지 않으며 발전기 회전 속도로 잠기(동기화)되기 전에 대략적인 교류기 전기 속도까지 계속 올려야 합니다.

속도에 도달하면 동기 모터는 AC 전원과 동기화를 유지하고 토크를 발생시킵니다.

Sinewave는 동기식 모터를 구동합니다.

모터가 동기 속도까지라고 가정하면 사인파가 위의 그림 (1)에서 양수로 바뀌면서 하부 노스 코일은 노스 로터 극을 밀고 상부 사우스 코일은 로터 노스 폴을 끌어당깁니다. 유사한 방식으로 회전자 남극은 상부 남쪽 코일에 의해 반발되고 하부 북쪽 코일에 끌립니다.

사인파가 (2)에서 피크에 도달할 때까지 로터의 북극을 위로 유지하는 토크는 최대입니다. 이 토크는 토크가 최소인 상태에서 (3)에서 사인파가 0 VDC로 감소함에 따라 감소합니다.

사인파가 (3&4) 사이에서 음으로 바뀌면 하부 남쪽 코일이 남쪽 회전자 극을 밀고 북쪽 회전자 극을 끌어당깁니다. 유사한 방식으로, 노스 로터 극은 상부 노스 코일에 의해 반발되고 하부 사우스 코일에 끌립니다. (4)에서 사인파는 토크를 다시 최대로 유지하면서 음의 피크에 도달합니다. 사인파가 음수에서 0VDC, 양수로 변경되면 새로운 사인파 주기에 대해 프로세스가 반복됩니다.

위의 그림은 무부하 조건(α=0°)에 대한 로터 위치를 보여줍니다. 실제로 로터에 부하를 가하면 각도 α로 표시된 위치에서 로터가 지연됩니다. 이 각도는 최대 모터 토크가 α=90°에 도달할 때까지 부하와 함께 증가합니다.

이 각도를 넘어서면 동기화 및 토크가 손실됩니다. 단상 동기 모터의 코일에 흐르는 전류는 극성이 바뀌면서 맥동합니다.

영구 자석 회전자의 속도가 이 교번의 주파수에 가까우면 이 교번과 동기화됩니다. 코일 필드는 맥동하고 회전하지 않기 때문에 영구 자석 회전자를 보조 모터로 속도를 높여야 합니다. 이것은 다음 섹션에 있는 것과 유사한 소형 유도 전동기입니다.

필드 폴을 추가하면 속도가 감소합니다.

2극(N-S 극 쌍) 교류기는 3600rpm(분당 회전 수)으로 회전할 때 60Hz 사인파를 생성합니다. 3600rpm은 초당 60회전에 해당합니다. 유사한 2극 영구 자석 동기 모터도 3600rpm으로 회전합니다.

더 많은 극 쌍을 추가하여 저속 모터를 구성할 수 있습니다. 4극 모터는 1800rpm으로 회전하고 12극 모터는 600rpm으로 회전합니다. 표시된 구성 스타일(위 그림)은 설명을 위한 것입니다. 더 높은 효율 더 높은 토크의 다극 고정자 동기 모터는 실제로 회전자에 여러 극을 가지고 있습니다.

1권선 12극 동기 모터

12극 모터의 경우 12코일을 감는 대신 위의 그림과 같이 12개의 맞물린 강철 기둥 조각이 있는 단일 코일을 감습니다. 코일의 극성은 AC 인가로 인해 바뀌지만 일시적으로 위쪽은 북쪽, 아래쪽은 남쪽이라고 가정합니다.

극 조각은 코일의 하단과 외부에서 상단으로 남쪽 플럭스를 라우팅합니다. 이 6-남쪽은 코일의 강철 기둥 조각의 상단에서 위로 구부러진 6-북쪽 탭으로 인터리브됩니다. 따라서 영구 자석 회전자 막대는 막대 자석의 한 번의 물리적 회전에서 AC의 6주기에 ​​해당하는 6극 쌍을 만나게 됩니다.

회전 속도는 AC 전기 속도의 1/6입니다. 로터 속도는 2극 동기 모터에서 경험하는 속도의 1/6입니다. 예:60Hz는 2극 모터를 3600rpm으로 회전하거나 12극 모터의 경우 600rpm으로 회전합니다.

Westclox History의 허가를 받아 www.clockHistory.com에서 재인쇄

고정자(위 그림)는 12극 Westclox 동기 클록 모터를 보여줍니다. 구조는 단일 코일을 사용한 이전 그림과 유사합니다. 하나의 코일 구조는 저토크 모터에 경제적입니다. 이 600rpm 모터는 시계 바늘을 움직이는 감속 기어를 구동합니다.

질문: Westclox 모터가 50Hz 전원에서 600rpm으로 작동하려면 몇 개의 극이 필요합니까?

A: 10극 모터에는 5쌍의 N-S극이 있습니다. 50/5 =초당 10회 또는 600rpm(10초-1 x 60초/분)으로 회전합니다.

Westclox History의 허가를 받아 www.clockHistory.com에서 재인쇄

회전자(위 그림)는 영구 자석 막대와 강철 유도 전동기 컵으로 구성됩니다. 폴 탭 내에서 회전하는 동기식 모터 바는 정확한 시간을 유지합니다. 막대 자석 외부의 인덕션 모터 컵은 자동 시동을 위해 외부 및 탭 위에 맞습니다. 한때 유도 전동기 컵이 없는 비자발식 전동기가 제조되었습니다.

3상 동기 모터

아래 그림과 같은 3상 동기 모터는 고정자에서 전기적으로 회전하는 자기장을 생성합니다. 이러한 모터는 산업 환경에서 볼 수 있는 50Hz 또는 60Hz와 같은 고정 주파수 전원에서 시작하는 경우 자체 시동되지 않습니다.

또한 로터는 산업용으로 사용되는 다마력(멀티킬로와트) 모터의 영구자석이 아니라 전자석이다. 대형 산업용 동기 모터는 유도 모터보다 효율적입니다. 일정한 속도가 필요할 때 사용합니다. 선행 역률을 가지고 있기 때문에 지연 역률에 대한 AC 라인을 수정할 수 있습니다.

고정자 여기의 3단계는 벡터 방식으로 추가되어 초당 f/2n회 회전하는 단일 결과 자기장을 생성합니다. 여기서 f는 전력선 주파수, 산업용 전력선으로 작동되는 모터의 경우 50Hz 또는 60Hz입니다. 극의 수는 n입니다. 회전자 속도(rpm)의 경우 60을 곱합니다.

 S =f120/n 여기서:S =회전자 속도(rpm) f =AC 라인 주파수 n =위상당 극 수 

3상 4극(상당) 동기 모터는 60Hz 전력에서 1800rpm 또는 50Hz 전력에서 1500rpm으로 회전합니다. 코일에 φ-1, φ-2, φ-3의 순서로 한 번에 하나씩 전원이 공급되면 회 전자는 해당 극을 차례로 가리켜야 합니다.

사인파가 실제로 겹치기 때문에 결과 필드는 단계적으로가 아니라 부드럽게 회전합니다. 예를 들어, φ-1 및 φ-2 사인파가 일치할 때 필드는 이 극 사이를 가리키는 피크에 있게 됩니다. 표시된 막대 자석 로터는 소형 모터에만 적합합니다.

다중 자극이 있는 회전자(오른쪽 아래)는 상당한 부하를 구동하는 효율적인 모터에 사용됩니다. 이들은 대형 산업용 모터에서 슬립 링 공급 전자석이 될 것입니다. 대형 산업용 동기 모터는 전기자에 내장된 농형 도체에 의해 자체 시동되어 유도 전동기 역할을 합니다.

전자기 전기자는 회전자가 거의 동기 속도에 도달한 후에만 활성화됩니다.

3상, 4극 동기 모터

소형 다상 동기 모터

소형 다상 동기 모터는 구동 주파수를 0에서 최종 작동 주파수로 램핑하여 시작할 수 있습니다. 다상 구동 신호는 전자 회로에 의해 생성되며 가장 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 분야에서 구형파입니다.

이러한 모터를 브러시리스 DC 모터라고 합니다. 진정한 동기식 모터는 사인파에 의해 구동됩니다. 고정자에 적절한 수의 권선을 공급하여 2상 또는 3상 구동을 사용할 수 있습니다. 위에는 3상만 표시됩니다.

전자 동기 모터

블록 다이어그램은 저전압(12 V DC) 동기 모터와 관련된 드라이브 전자 장치를 보여줍니다. 이 모터에는 위치 센서가 있습니다. 모터 내부에 통합되어 모터의 회전 속도에 비례하는 주파수로 낮은 수준의 신호를 제공합니다.

위치 센서는 홀 효과와 같은 고체 자기장 센서만큼 간단할 수 있습니다. 구동 전자 장치에 정류(전기자 전류 방향) 타이밍을 제공하는 장치. 위치 센서는 리졸버, 인덕토신(자기 인코더) 또는 광학 인코더와 같은 고해상도 각도 센서일 수 있습니다.

일정하고 정확한 회전 속도가 필요한 경우(디스크 드라이브의 경우) 회전 속도계 및 위상 고정 루프 포함될 수 있습니다(아래 그림). 모터 속도에 비례하는 펄스 열인 이 회전 속도계 신호는 회전 속도계 주파수와 위상을 수정 발진기와 같은 안정적인 기준 주파수 소스와 비교하는 위상 고정 루프로 피드백됩니다.

위상 고정 루프가 동기식 모터 속도를 제어합니다.

브러시리스 DC 모터

단순한 홀 효과 센서에서 제공하는 구형파 전류로 구동되는 모터를 브러시리스 DC 모터라고 합니다. . 이 유형의 모터는 리플 토크가 더 높습니다. 사인파 구동 모터보다 샤프트 회전을 통한 변화. 이것은 많은 응용 프로그램에서 문제가 되지 않습니다. 하지만 이 섹션에서는 동기식 모터에 주로 관심이 있습니다.

모터 리플 토크 및 기계적 아날로그

리플 토크 또는 코깅은 고정자 극 조각에 대한 회전자 극의 자기 인력으로 인해 발생합니다. (위 그림) 고정자 코일이 없습니다. PM 로터는 손으로 회전할 수 있지만 폴 피스가 근처에 있을 때 끌어당깁니다.

이것은 기계적 상황과 유사합니다. 테이프 플레이어에 사용되는 모터에 리플 토크가 문제가 될까요? 예, 우리는 모터가 테이프 재생 헤드를 지나 오디오 테이프를 이동할 때 모터가 교대로 속도를 내고 느려지는 것을 원하지 않습니다. 리플 토크가 팬 모터에 문제가 될까요? 아니요.

벨트에 분포된 권선은 보다 사인파 필드를 생성합니다.

모터가 모터 역기전력과 동기화된 전류의 사인파에 의해 구동되는 경우 구동 파형이 전자적 수단에 의해 생성되는지 여부에 관계없이 동기식 AC 모터로 분류됩니다. 동기식 모터는 정현파 역 emf을 생성합니다. 고정자 자기장이 사인파 분포를 갖는 경우.

극 권선이 하나의 큰 극에 집중되는 대신 여러 슬롯에 걸쳐 벨트에 분산되어 있으면 더 사인파형이 됩니다(대부분의 단순화된 그림에 그려진 것처럼). 이 배열은 고정자 필드 홀수 고조파의 많은 부분을 취소합니다.

위상 권선의 가장자리에서 권선이 더 적은 슬롯은 다른 위상과 공간을 공유할 수 있습니다. 감기 벨트는 아래 그림과 같이 다른 동심원 형태를 취할 수 있습니다.

동심 벨트

사인파에 의해 구동되는 2상 모터의 경우 토크는 삼각법에 의해 회전 내내 일정합니다.

 sin2θ + cos2θ =1

구동 파형의 생성 및 동기화에는 브러시리스 DC 모터에 사용되는 홀 효과 센서가 제공하는 것보다 더 정확한 회전자 위치 표시가 필요합니다. 해결사 , 또는 광학 또는 자기 인코더 , 회전당 수백에서 수천 개의 부품(펄스)의 분해능을 제공합니다.

리졸버는 샤프트 각도의 사인 및 코사인에 비례하는 신호 형태로 아날로그 각도 위치 신호를 제공합니다. 인코더는 직렬 또는 병렬 형식으로 디지털 각도 위치 표시를 제공합니다.

사인파 드라이브는 실제로 PWM, 펄스 폭 변조기에서 가져온 것일 수 있습니다. , 사인파를 디지털 파형으로 근사하는 고효율 방법. 각 위상에는 위상당 적절한 양만큼 위상 이동된 이 파형에 대한 구동 전자 장치가 필요합니다.

PWM은 사인파에 가깝습니다.

동기 모터의 장점

동기 전동기 효율은 유도 전동기보다 높습니다. 동기식 모터는 특히 회전자에 고에너지 영구 자석이 사용되는 경우 더 작을 수 있습니다. 최신 반도체 전자 장치의 출현으로 이러한 모터를 다양한 속도로 구동할 수 있게 되었습니다.

유도 전동기는 주로 철도 견인에 사용됩니다. 그러나 구동 휠 내부에 장착되는 작은 동기 모터는 이러한 응용 분야에 매력적입니다. 고온 초전도 이 모터의 버전은 구리 권선 모터의 1/5에서 1/3의 무게입니다.

가장 큰 실험용 초전도 동기 모터는 구축함급 함선을 구동할 수 있습니다. 이러한 모든 응용 분야에서 전자식 가변 속도 드라이브는 필수적입니다. 가변 속도 드라이브는 또한 낮은 주파수에서 감소된 유도성 리액턴스로 인해 낮은 속도에서 드라이브 전압을 줄여야 합니다.

최대 토크를 발생시키려면 회전자가 고정자 필드 방향을 90° 지연시켜야 합니다. 더 이상 동기화를 잃습니다. 훨씬 적으면 토크가 감소합니다. 따라서 로터의 위치를 ​​정확하게 알아야 합니다. 그리고 고정자 필드에 대한 회전자의 위치를 ​​계산하고 제어해야 합니다.

이러한 유형의 제어를 벡터 위상 제어라고 합니다. . 고정자 위상에 대한 펄스 폭 변조기를 구동하는 고속 마이크로프로세서로 구현됩니다. 동기 모터의 고정자는 인기 있는 유도 모터의 고정자와 동일합니다.

결과적으로 유도 전동기와 함께 사용되는 산업용 전자 속도 제어는 대형 산업용 동기 전동기에도 적용할 수 있습니다. 기존 회전 동기 모터의 회전자와 고정자를 펼치면 동기 선형 모터가 됩니다.

정밀한 고속 리니어 포지셔닝에 적용되는 모터입니다.

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AC 모터 이론 워크시트