동기 모터

Synchronous motor
아날로그 시계에 사용되는 소형 동기 모터.로터는 영구 자석으로 되어 있습니다.
전자레인지에서 온 일체형 스텝다운 기어를 갖춘 소형 동기 모터

동기전동기는 정상상태에서 [1]샤프트의 회전이 공급전류의 주파수와 동기화되는 교류전동기로, 회전주기는 AC사이클의 정수수와 정확히 같다.동기 모터에는 모터의 스테이터에 다상 AC 전자석이 포함되어 있어 라인 전류의 진동에 따라 시간적으로 회전하는 자기장을 생성합니다.영구 자석 또는 전자석이 있는 로터는 스테이터 장과 동일한 속도로 회전하며, 그 결과 AC 모터의 두 번째 동기화된 회전 자석을 제공합니다.동기 모터는 로터와 스테이터 [2]양쪽에 독립적으로 들뜬 다상 AC 전자석이 공급될 경우 이중 공급이라고 합니다.

동기 모터 및 유도 모터는 가장 널리 사용되는 AC 모터 유형입니다.두 유형의 차이는 동기 모터가 전류 유도에 의존하지 않고 라인 주파수에 고정된 속도로 회전한다는 것입니다.반면 유도 모터에는 슬립이 필요합니다. 로터가 AC 교류보다 약간 느리게 회전해야 로터 권선에 전류를 유도할 수 있습니다.소형 동기 모터는 동기식 클럭, 기기의 타이머, 테이프 레코더 및 정밀 서보메카니즘과 같은 타이밍 애플리케이션에 사용됩니다. 속도 정확도는 전원 라인 주파수의 정확도로, 상호 연결된 대형 그리드 [citation needed]시스템에서 신중하게 제어됩니다.

동기식 모터는 고출력 산업용 [1]크기에서 자기 계발식 하위 마력[3] 크기로 제공됩니다.분수 마력 범위에서는 대부분의 동기 모터가 정확한 일정한 속도가 필요한 곳에 사용됩니다.이러한 기계는 일반적으로 정확한 시간이 필요한 아날로그 전기 시계, 타이머 및 기타 장치에 사용됩니다.고출력 산업 규모에서 동기 모터는 두 가지 중요한 기능을 제공합니다.첫째, AC 에너지를 작동으로 변환하는 매우 효율적인 방법입니다.둘째, 선행 역률 또는 단일 역률로 작동하여 역률 보정을 제공할 수 있습니다.

유형

동기식 모터도 동기식 발전기를 포함하는 동기식 기계의 보다 일반적인 범주에 속합니다.계자 극이 "원동기 전진운동에 의해 발생하는 공극 플럭스보다 먼저 구동"되는 경우 발전기 작동이 관찰됩니다.필드 극이 "축 [1]하중의 지연 토크에 의해 생성된 공극 플럭스 뒤로 드래그"되는 경우 모터 작동이 관찰됩니다.

동기 모터에는 로터가 자화되는 방식에 따라 비여자 [4]및 직류 여자라는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

비여자 모터

1930년부터 1955년까지 제조된 텔레타입 기계용 단상 60Hz 1800RPM 동기 모터, 비여자 로터형

비여자 모터의 경우 로터는 강철로 제작됩니다.동기 속도에서는 스테이터의 회전 자기장과 보조를 맞춰 회전하므로 거의 일정한 자기장이 통과합니다.외부 스테이터 장은 로터를 자화시켜 로터를 회전시키는 데 필요한 자극이 유도되도록 합니다.로터는 코발트강과 같은 고레텐티성 강철로 제작됩니다.영구 자석,[5] 저항력 및 이력 설계로 제조됩니다.

저항 모터

주요 기사 : 마지란스 모터

이 로터는 돌출된(경사) 톱니형 극이 있는 솔리드 스틸 주물로 구성된 로터를 가지고 있습니다.일반적으로 토크 리플을 최소화하고 모든 극이 동시에 정렬되는 것을 방지하기 위해 스테이터 극보다 로터가 적습니다(토크를 [3][6]발생시킬 수 없는 위치).자기 회로 내 공극의 크기는 극이 스테이터의 (회전) 자기장과 정렬될 때 최소이며 극 사이의 각도에 따라 증가합니다.그러면 로터가 스테이터 필드의 가장 가까운 극과 정렬되도록 당겨지는 토크가 생성됩니다.따라서 동기 속도에서 로터는 회전하는 스테이터 필드에 "잠금"됩니다.이것은 모터를 시동할 수 없기 때문에, 일반적으로 회전자 폴에는 동기 속도 이하의 토크를 제공하기 위해 다람쥐 케이지 권선이 내장되어 있습니다.기계는 동기 속도에 근접할 때까지 유도 모터로 작동하며, 이때 로터가 "당겨서" 회전하는 스테이터 [7]필드에 잠깁니다.

마력(수 와트)에서 약 22kW까지 다양한 정격의 모터 설계입니다.초소형 저항 모터는 낮은 토크를 가지며 일반적으로 계측 용도로 사용됩니다.적당한 토크, 다마력 모터는 톱니형 로터가 있는 다람쥐 케이지 구조를 사용합니다.조정 가능한 주파수 전원 공급 장치와 함께 사용하면 드라이브 시스템의 모든 모터를 정확히 동일한 속도로 제어할 수 있습니다.전원 공급기의 주파수에 따라 모터 작동 속도가 결정됩니다.

이력 모터

이 로터는 견고한 매끄러운 원통형 로터를 가지고 있으며, 높은 보자기성 "경질"[6] 코발트강을 주조합니다.이 재료는 넓은 이력 루프(높은 보자기력)를 가지고 있습니다.즉, 일단 주어진 방향으로 자화되면 자화를 반전시키기 위해 큰 역자기장이 필요합니다.회전하는 스테이터 장으로 인해 로터의 작은 볼륨마다 역방향 자기장이 발생합니다.히스테리시스 때문에 자화의 위상은 인가된 필드의 위상보다 늦습니다.그 결과 로터에서 유도되는 자기장의 축이 스테이터장의 축보다 일정한 각도θ만큼 뒤떨어져 로터가 스테이터장을 " 따라잡으려고" 시도할 때 토크를 생성합니다.로터가 동기 속도 미만인 한 로터의 각 입자는 "슬립" 주파수로 역전 자기장을 경험하여 이력 루프 주위를 구동하여 로터장이 지연되고 토크가 생성됩니다.로터에는 [6]2극 저저항 바 구조가 있습니다.로터가 동기 속도에 가까워지고 슬립이 0이 되면 이 자기장이 스테이터장과 정렬되어 로터가 회전하는 스테이터장에 "잠금"됩니다.

히스테리시스 모터의 큰 장점은 시차각θ가 속도에 의존하지 않기 때문에 시동 시부터 동기 속도까지 일정한 토크가 발생한다는 것이다.따라서 시동 [citation needed]시 추가 토크를 제공하기 위해 로터에 다람쥐 케이지의 전도성 와인딩 구조가 내장되어 있지만, 시동 시 유도 와인딩이 필요하지 않습니다.

히스테리시스 모터는 주로 서보모터 및 타이밍 모터로 하위 마력 정격으로 제조됩니다.저항형보다 더 비싼 히스테리시스 모터는 정밀한 정속이 [citation needed]필요한 곳에 사용됩니다.

영구 자석 모터

영구 자석 동기 모터(PMSM)는 강철 로터에 내장된 영구 자석을 사용하여 일정한 자기장을 생성합니다.스테이터는 AC 전원에 연결된 권선을 운반하여 회전 자기장을 생성합니다(비동기 모터에서처럼).동기 속도에서 로터 극은 회전 자기장에 잠깁니다.영구 자석 동기 모터는 브러시리스 DC 모터와 유사합니다.네오디뮴 자석은 이러한 모터에서 가장 일반적으로 사용되는 자석이다.비록 지난 몇 년 동안 네오디뮴 자석의 급격한 가격 변동으로 인해 많은 연구가 페라이트 자석을 [8]대안으로 찾고 있다.현재 사용 가능한 페라이트 자석의 고유한 특성 때문에 이러한 기계의 자기 회로 설계는 자속을 집중시킬 수 있어야 하며, 가장 일반적인 전략 중 하나는 스포크 타입의 [9]로터를 사용하는 것입니다.현재 페라이트 자석을 사용하는 새로운 기계는 네오디뮴 [9]자석을 사용하는 기계에 비해 출력 밀도와 토크 밀도가 낮다.

영구 자석 모터는 [10]2000년부터 기어리스 엘리베이터 모터로 사용되어 왔다.

대부분의 PMSM에서는,[11][12][13][14][15] 기동하기 위해서 가변 주파수 드라이브가 필요합니다.를starting—these line-start 또는self-starting PMSMs.[16]이 일반적으로 유도 모터에higher-efficiency 교체(슬립의 뒷돈을 대지 못해)로 사용되고 있는 것으로 알려져 있어 그러나, 몇몇은 회전에서, 신중하게 응용 프로그램에 지정된 나와 동기 속도에 도달한지 확실히 할 필요가 있고 sys 농형을 통합하고 있다.갖도록시동 중 토크 리플을 견딜 수 있습니다.

영구 자석 동기 모터는 주로 직접 토크[17] 제어 및 필드 지향 [18]제어를 사용하여 제어됩니다.그러나 이러한 방법은 상대적으로 높은 토크와 스테이터 플럭스 [19]리플에 시달립니다.예측 제어와 뉴럴 네트워크 컨트롤러는 최근 이러한 [19][20]문제에 대처하기 위해 개발되었습니다.

직류 들뜸 모터

1917년 DC 들뜸 모터.기기 뒷면에 여자기가 선명하게 보입니다.

일반적으로 대형(약 1마력 또는 1킬로와트보다 큰)으로 제작된 이 모터에는 여진을 위해 로터에 공급되는 직류(DC)가 필요합니다.이는 슬립 링을 통해 가장 쉽게 공급되지만 브러시리스 AC 유도 및 정류기 배열도 사용할 [21]수 있습니다.직류는 별도의 DC 전원 또는 모터 샤프트에 직접 연결된 DC 제너레이터에서 공급될 수 있습니다.

제어 기술

영구 자석 동기 모터 및 저항 모터는 작동을 위한 제어 시스템(VFD 또는 서보 구동)이 필요합니다.

PMSM은 전기 모터의 구조와 범위에 따라 다양한 제어 방법이 선택됩니다.

제어 방법은 다음과 같이 [22]나눌 수 있습니다.

사인파

사다리꼴

  • 오픈 루프
  • 폐쇄 루프(홀 센서 유무)

동기 속도

동기 모터의 동기 속도는 [23]다음과 같습니다.
RPM 단위, 기준:

rad 단위−1, 기준:

여기서:

  • f는 AC 전원 전류의 주파수(Hz)입니다.
  • p는 자극의 수입니다.
  • {\ P는 극 쌍(표준, 정류면), P / {\ P의 수입니다

예

단상 4극(2극 쌍) 동기 모터가 50Hz의 AC 공급 주파수로 작동합니다.폴 페어의 수는 2이므로 동기 속도는 다음과 같다.

3상 12극(6극 쌍) 동기 모터가 60Hz의 AC 공급 주파수로 작동합니다.폴 페어의 수는 6이므로 동기 속도는 다음과 같다.

의 수 pp는 위상당 코일 그룹의 수와 동일합니다.3상 모터에서 상당 코일 그룹의 수를 확인하려면 코일 수를 세어 상 수(3)로 나눕니다.코일이 스테이터 코어의 여러 슬롯에 걸쳐 있을 수 있으므로 코일을 세는 데 시간이 걸릴 수 있습니다.3상 모터의 경우 총 12개의 코일 그룹을 세면 4개의 자극이 있습니다.12극 3상 기계의 경우 36개의 코일이 있습니다.로터의 자극 수는 스테이터의 자극 수와 동일합니다.

건설

대형 워터 펌프의 로터.슬립 링은 로터 드럼 아래에서 볼 수 있습니다.
대형 워터 펌프의 고정자 권선

동기 모터의 주요 구성 요소는 스테이터와 [24]로터입니다.동기 모터의 스테이터와 유도 모터의 스테이터는 [25]구조가 유사합니다.와인딩-로터 동기식 이중 공급 전기 기계를 예외로 하여 스테이터 프레임에는 [26]래퍼 플레이트가 포함되어 있습니다.래퍼 플레이트에 [26]원주 리브와 키바가 부착되어 있습니다.기계의 무게를 지탱하려면 프레임 마운트와 풋팅이 필요합니다.[26]직류 들뜸에 의해 필드 권선이 들뜸되면 들뜸 공급 장치에 연결하기 위해 브러시와 [27]슬립 링이 필요합니다.필드 권선은 브러시리스 [28]여자기로도 들뜨게 할 수 있습니다.원통형 원형 로터(비돌기형 폴 로터라고도 함)는 최대 6개의 극에 사용됩니다.일부 기계에서는 또는 다수의 극이 필요할 때 돌출 극 로터가 사용됩니다.[29][30]동기 모터의 구조는 동기 교류 [31]발전기의 구조와 유사합니다.대부분의 동기 모터 구조는 고정 전기자와 회전 계자 권선을 사용합니다.이러한 구조는 전기자가 회전식인 DC 모터 타입보다 장점이 있습니다.

작동

회전 자기장은 스테이터 권선의 3상 자기장 벡터의 합으로 형성됩니다.

동기 모터의 작동은 스테이터와 로터의 자기장의 상호작용에 의해 이루어집니다.3상 권선으로 구성된 스테이터 권선에는 3상 공급이 제공되며, 로터에는 DC 공급이 제공됩니다.3상 전류를 전달하는 3상 스테이터 권선은 3상 회전 자속(따라서 회전 자기장)을 생성합니다.로터는 회전하는 자기장과 맞물려 회전합니다.회전하는 자기장과 로터장이 잠기면 모터가 동기화된다고 합니다.단상(또는 단상으로부터 파생된 2상) 고정자 권선이 가능하지만, 이 경우 회전 방향이 정의되지 않으며, 시동 [32]배열에 의해 방지되지 않는 한 기계는 어느 방향으로도 시동될 수 있습니다.

모터가 작동되면 모터 속도는 공급 주파수에 따라 달라집니다.모터 부하가 고장 부하를 초과하여 증가하면 모터가 동기화되지 않고 필드 권선이 더 이상 회전 자기장을 따르지 않습니다.모터가 동기화되지 않을 경우 모터가 토크를 생성할 수 없으므로(동기식) 실용적인 동기식 모터는 작동을 안정화하고 시동을 쉽게 하기 위해 부분적 또는 완전한 다람쥐 케이지 댐퍼(암모티서) 권선이 있습니다.이 권선은 동등한 유도 모터의 권선보다 작고 장시간 작동 시 과열될 수 있으며, 로터 여자 권선에 큰 슬립 주파수 전압이 유도되기 때문에 동기 모터 보호 장치가 이 상태를 감지하여 전원 공급을 중단합니다(단계 외 보호).[32]

기동 방법

일정 크기 이상이면 동기식 모터는 자동 시동식 모터가 아닙니다.이 특성은 로터의 관성으로 인해 발생하며, 스테이터의 자기장 회전을 즉시 따라갈 수 없습니다.동기식 모터는 정지 상태에서 고유의 평균 토크를 생성하지 않기 때문에 보조 [3]메커니즘이 없으면 동기식 속도로 가속할 수 없습니다.

상용 전원 주파수로 작동하는 대형 모터에는 가속을 위한 충분한 토크를 제공하고 [3]작동 시 모터 속도의 진동을 완화하는 역할을 하는 다람쥐 바구니 유도 권선이 포함됩니다.로터가 동기 속도에 가까워지면 계자 권선이 들뜨고 모터가 동기화됩니다.초대형 모터 시스템에는 부하가 [33][34]적용되기 전에 비적재 동기 기계를 가속하는 "포니" 모터가 포함될 수 있습니다.전자적으로 제어되는 모터는 스테이터 [35]전류의 주파수를 변경하여 제로 속도에서 가속할 수 있습니다.

초소형 동기 모터는 전원 라인 주파수를 사용하여 기어 메커니즘을 올바른 속도로 작동하는 라인 구동 전기 기계식 시계 또는 타이머에 일반적으로 사용됩니다.이러한 소형 동기 모터는 로터의 관성 모멘트와 기계적 부하가 충분히 작을 경우 도움 없이 시동할 수 있다(왜냐하면 모터가 저항 [3]토크의 가속 반주기 동안 슬립 속도에서 동기 속도로 가속되기 때문이다).전기벽시계 등의 단상동기모터는 음영극형과는 달리 어느 방향으로도 자유롭게 회전할 수 있다.일관된 시작 방향을 얻는 방법은 음영-극 동기 모터를 참조하십시오.

작동 경제성은 다양한 모터 시동 방법을 [36]다루기 위한 중요한 매개 변수입니다.따라서 로터의 들뜸은 모터 시동 [37]문제를 해결할 수 있는 방법이다.또한 대형 동기 기계에 대해 제안된 최신 시동 방법에는 시동 [38]시 로터 극의 반복 극성 반전이 포함된다.

응용 프로그램, 특수 속성 및 이점

동기 콘덴서로 사용

주요 기사:동기 콘덴서
동기 기계의 V-곡선

동기 모터의 들뜸을 변화시킴으로써 지연, 선도 및 일체 역률로 동작시킬 수 있다.역률이 일률인 여진은 정상 [39]여진전압이라고 합니다.이 들뜸에서 전류의 크기는 [39]최소입니다.정상 여자보다 큰 여자 전압을 과여자 전압이라고 하고, 정상 여자보다 작은 여자 전압을 [39]여자 아래라고 합니다.모터가 과열되면 백 emf가 모터 단자 전압보다 커집니다.이로 인해 전기자 반응에 [40]의한 소자 효과가 발생합니다.

동기 기계의 V 곡선은 전기자 전류를 필드 전류의 함수로 나타냅니다.필드 전류가 증가함에 따라 처음에는 전기자 전류가 감소하다가 최소에 도달한 다음 증가합니다.최소점은 역률이 [41]통일되는 지점이기도 합니다.

역률을 선택적으로 제어하는 이 기능은 모터가 연결된 전력 시스템의 역률 보정에 사용할 수 있습니다.대부분의 전원 시스템에는 상당한 크기의 순지연 역률이 있기 때문에 과도하게 들뜬 동기 모터가 있으면 시스템의 순 역률이 단일성에 가까워져 효율이 향상됩니다.이러한 역률 보정은 일반적으로 기계적 작업을 제공하기 위해 시스템에 이미 존재하는 모터의 부작용이지만, 단순히 역률 보정을 제공하기 위해 기계적 부하 없이 모터를 구동할 수 있습니다.공장과 같은 대형 산업용 발전소에서 동기 모터와 다른 지연 부하 사이의 상호작용은 발전소의 전기 [citation needed]설계에서 명시적인 고려 사항일 수 있다.

정상 상태 안정성 한계

어디에,

는 토크입니다.
\displays}는 토크 입니다)
max {\는 최대 토크입니다.

여기서,

부하가 가해지면 토크 각도(\})가 증가합니다. { \ } = 90°이면 토크가 최대가 됩니다.부하가 더 가해지면 모터 토크가 부하 [42][43]토크보다 작기 때문에 모터의 동기화가 손실됩니다.동기성을 잃지 않고 모터에 적용할 수 있는 최대 부하 토크를 동기 [42]모터의 정상 상태 안정성 한계라고 합니다.

다른.

동기 모터는 특히 정밀한 속도 또는 위치 제어가 필요한 애플리케이션에서 유용합니다.

  • 속도는 모터의 작동 범위에 걸친 부하와 무관합니다.
  • 속도 및 위치는 개방 루프 컨트롤(예: 스테퍼 모터)을 사용하여 정확하게 제어할 수 있습니다.
  • 저전력 애플리케이션에는 고정밀이 필요한 위치 결정 기계와 로봇 액추에이터가 포함됩니다.
  • 스테이터와 로터 권선에 모두 DC 전류가 인가될 때 이들 위치가 유지됩니다.
  • 동기 모터에 의해 구동되는 클럭은 원칙적으로 그 전원의 회선 주파수만큼 정확합니다.(소주파수 드리프트는 임의의 시간에 걸쳐 발생하지만 그리드 오퍼레이터는 나중에 적극적으로 회선 주파수를 조정하여 보상함으로써 모터 구동 클럭을 정확하게 유지합니다.유틸리티 주파수#안정성 참조).
  • 레코드 플레이어 턴테이블
  • 저속 애플리케이션(예: 볼밀)에서 효율성 향상

서브타입

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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