Háromfázisú váltakozó áramú motorok, aszinkronmotorok

Forgórész vagy rotor

A forgórész lemezkötegének hornyainál egy belefröccsöntött vagy belehelyezett (pl. alumínium és/vagy vörösréz) tekercs található. Ezt mindkét végén azonos anyagból készült gyűrűk zárják rövidre. A pálcák a rövidre záró gyűrűkkel egy kalickára emlékeztetnek. Innen ered a háromfázisú váltakozó áramú motorok másik használatos neve: „kalickás forgórészű motor”.

Állórész vagy sztátor

A műgyantával kiöntött tekercs az állórész lemezkötegének félig zárt hornyaiba van belefektetve. A tekercsszám és tekercsszélesség változó, hogy különböző pólusszámokat (azaz fordulatszámokat) lehessen megvalósítani. A motorházzal együtt a lemezköteg alkotja az úgynevezett állórészt.

Csapágypajzsok

Az acél, szürkeöntvény vagy nyomásöntött alumínium csapágypajzsok zárják a motor belsejét az A és B oldalon. A motor védettségi fokozatát az állórész felé menő átvezetés konstrukciós kialakítása határozza meg.

Forgórész tengelye

A forgórészoldali lemezköteget egy acéltengelyre erősítik. A két tengelyvég az A és B oldalon átnyúlik a csapágypajzsokon. Az A oldalra a kihajtótengely elvékonyított vége van felszerelve (hajtóműves motornál bordás tengelyként kialakítva); a B oldalra a ventilátor van felszerelve az önhűtésre szolgáló lapátokkal, illetve itt találhatók a kiegészítő rendszerek, mint például a mechanikus fékezés, a jeladók stb.

Motorház

A motorházak kis és közepes teljesítménynél nyomásöntött alumíniumból gyárthatók. De minden teljesítményosztály házát emellett szürkeöntvényből is készítik. A házon csatlakozódoboz található, amelyben az állórész tekercsvégei vannak a csatlakozótömbre kötve a vevőoldali elektromos csatlakoztatáshoz. A hűtőbordák megnövelik a ház felületét, és emellett elősegítik a veszteséghő leadását a környezet felé.

Ventilátor, ventilátorfedél

A B oldali tengelyvégen elhelyezett ventilátort fedél takarja. Ez a forgómozgáskor keletkező légáramot a forgórész forgásirányától függetlenül átvezeti a ház bordáin. Az opcionális védőtető megakadályozza, hogy függőleges beépítési helyzetnél a kis alkatrészek beessenek a motorba a ventilátorfedél rácsán át.

Csapágyak

Az A és B oldali csapágypajzsok csapágyai mechanikusan összekapcsolják a forgó részeket az álló részekkel. Többnyire mélyhornyú golyóscsapágyat alkalmaznak, ritkábban hengergörgős csapágyat. A csapágyak mérete az adott csapágy által felveendő erőktől és fordulatszámoktól függ. Emellett különféle tömítőrendszerek gondoskodnak arról, hogy a csapágyak szükséges kenési tulajdonságai megmaradjanak, és hogy az olaj és/vagy zsír ne folyjon ki.

Az állórész szimmetrikus, háromágú tekercsrendszere megfelelő feszültségű és frekvenciájú háromfázisú váltakozó áramú hálózatra van csatlakoztatva. A tekercs három ágának mindegyikében azonos amplitúdójú szinuszos áramok folynak, egymáshoz képest időben 120 fokkal eltolva. A térben szintén 120 fokkal eltolt tekercságaknak köszönhetően az állórész a rákapcsolt feszültség frekvenciájával körbeforgó mágneses mezőt kelt.

Ez a körbeforgó mágneses mező – röviden forgómező – a forgórész tekercsében, illetve a forgórész pálcáiban elektromos feszültséget indukál. Mivel a tekercs a gyűrűn át rövidre van zárva, rövidzárlati áramok folynak. Ezek a forgómezővel közösen erőket keltenek, illetve a forgórész sugarán forgatónyomatékot, amely a forgórészt a forgómező irányában az adott fordulatszámra gyorsítja. A forgórész fordulatszámának emelkedésével csökken a forgórészben keltett feszültség frekvenciája, mivel kisebb lesz a forgómező fordulatszáma és a forgórész fordulatszáma közötti különbség.

Az így kisebbé váló indukált feszültségek kisebb áramokat keltenek a forgórész kalickájában, és ezáltal kisebbek az erők és a forgatónyomatékok. Ha a forgórész elérné a forgómező fordulatszámát, akkor azzal szinkronban futna, és nem indukálódna feszültség – ezáltal a motor nem lenne képes forgatónyomatékot kelteni. Azonban a csapágyak terhelőnyomatékának és súrlódási nyomatékának hatására különbség áll elő a forgórész és a forgómező fordulatszámában. Így áll be az eredő egyensúly a gyorsító- és a terhelőnyomaték között. A motor aszinkron módon fut.

A motor terhelésétől függően a különbség nagyobb vagy kisebb, de soha nem nulla, mivel üresjáratban is mindig van súrlódás. Ha a terhelőnyomaték túllépi a motor által maximálisan kelthető gyorsítónyomatékot, akkor a motor „átbillen” egy nem megengedett üzemállapotba, amely adott esetben termikusan romboló hatású.

Ezt a forgómező fordulatszáma és a mechanikai fordulatszám közötti, a működéshez szükséges relatív mozgást szlipnek hívjuk, és a forgómező fordulatszámának százalékában fejezzük ki. A kisebb teljesítményű motoroknál a szlip 10–15 százalék, míg a nagyobb teljesítményű háromfázisú váltakozó áramú motoroknál kb. 2–5 százalék lehet.

A rövidre zárt forgórészű háromfázisú váltakozó áramú motor elektromos teljesítményt vesz fel a hálózatból, és azt mechanikai teljesítménnyé – azaz fordulatszámmá és forgatónyomatékká – alakítja át. Ha a motor veszteségmentesen működne, akkor a P_le leadott mechanikai teljesítmény megegyezne a P_fel felvett elektromos teljesítménnyel.

Azonban – ahogy az minden energiaátalakításnál elkerülhetetlen – a rövidre zárt forgórészű, háromfázisú váltakozó áramú motorban is fellépnek veszteségek: P_Cu rézveszteség és P_Z pálcaveszteség keletkezik az áram alatt álló vezetőben fellépő felmelegedés által. P_Fe vasveszteség keletkezik a hálózati frekvenciával átmágnesezett lemezköteg felmelegedése által. P^_súrl. súrlódási veszteség keletkezik a csapágyak súrlódása által; és szellőzési veszteség azáltal, hogy a hűtésre levegőt használnak. A leadott és felvett teljesítmény aránya a gép hatásfoka.

A törvényi előírások következtében az utóbbi években egyre nagyobb hangsúlyt fektetnek a jobb hatásfokú motorok használatára. A vonatkozó irányadó megállapodások hatásfokosztályokat határoznak meg, amelyeket a gyártók a műszaki adatok között feltüntetnek. A lényeges gépfüggő veszteségek csökkentése érdekében ennek az alábbi hatása van a villanymotor konstrukciójára:

• a vörösréz fokozott használata a motortekercsben (P_Cu)
• jobb lemezanyag (P_Fe)
• optimalizált ventilátorgeometria (P_súrl.)
• energetikailag optimális csapágyazás

A forgatónyomatékot és az áramot a fordulatszám függvényében ábrázolva megkapjuk a rövidre zárt forgórészű háromfázisú váltakozó áramú motort jellemző forgatónyomaték-fordulatszám jelleggörbét. A motor minden bekapcsolás után végigjárja ezt a jelleggörbét a stabil munkapont eléréséig. A pólusszám, a konstrukciós kialakítás és a forgórész tekercsének anyaga befolyásolja a jelleggörbe alakját. A jelleggörbe ismerete különösen fontos az ellennyomatékkal üzemeltetett hajtásoknál (pl. emelőműveknél).

Ha a munkagép ellennyomatéka nagyobb, mint a telítettségi nyomaték, akkor a forgórész fordulatszáma megakad a görbe kezdeti szakaszán a „nyeregben”. A motor nem éri el a névleges üzemi pontját, tehát a stabil, termikus szempontból biztonságos munkapontot. Ha az ellennyomaték nagyobb az indulási nyomatéknál, akkor a motor állva marad. Ha a járó hajtást túlterhelik (pl. túlrakják a szállítószalagot), akkor a fordulatszám a terhelés növekedésével csökken. Ha az ellennyomaték túllépi a billenőnyomatékot, akkor a motor átbillen, és a fordulatszám a „nyereg” fordulatszámára vagy akár nullára csökken. Mindegyik forgatókönyv rendkívül nagy áramokkal jár a forgórészben és az állórészben, így azok nagyon gyorsan felhevülnek. Ha nincs alkalmas védőberendezés beépítve, akkor ez a motor termikus tönkremeneteléhez vezethet, azaz a motor „leég”.

Az áram alatt álló elektromos vezetőben keletkező hő függ a vezető ellenállásától és a rajta átfolyó áram erősségétől. A gyakori bekapcsolás és az ellennyomatékkal indulás nagy termikus igénybevételnek teszi ki a rövidre zárt forgórészű háromfázisú váltakozó áramú motort. A motor megengedett felmelegedése függ a környező hűtőközeg (pl. levegő) hőmérsékletétől és a tekercs szigetelőanyagának hőállóságától.

A motorok maximális megengedett túlmelegedését a szigetelési osztályba sorolás (újabban „hőosztály”-nak is nevezik) szabályozza (IEC 60034). A motort az építése szerinti szigetelési osztályban a névleges teljesítményéből adódó tartós melegedéssel károsodás nélkül kell tudni üzemeltetni. Ha a hűtőközeg hőmérséklete legfeljebb 40 °C, akkor a megengedett túlmelegedési korlát például a 180(H)³ szigetelési osztályban 125 °C.

• A legegyszerűbb üzemmód az egyenletes terhelőnyomatékkal történő terhelés. A névleges munkapontban való tartós terhelés által a motor egy bizonyos idő után eléri a termikus kiegyenlítődési állapotot. Az ilyen üzemeltetést nevezzük S1 folyamatos üzemnek.
• Az S2 rövid idejű üzemben a motor meghatározott ideig (tB) egyenletes terheléssel üzemel. Ez alatt még nem éri el a termikus kiegyenlítődés állapotát. Ezt egy állásidő követi, amelynek olyan hosszúnak kell lennie, hogy a motor ismét elérje a hűtőközeg hőmérsékletét.
• Az S3 szakaszos üzemben a motor meghatározott ideig (tB) egyenletes terheléssel üzemel. Az indulás nem hathat ki a motor melegedésére. Ezt meghatározott állásidő (tSt) követi. Ebben az üzemmódban a relatív bekapcsolási időtartamot (ED) adják meg, amely az IEC 60034-1 szerint példaként adja meg az üzemidő és a 10 perces ciklusidő arányát (= üzemidő + állásidő).

Példa: S3 vagy 40%-os üzemmódról akkor beszélünk, ha a motor váltakozva 4 percet bekapcsolva és 6 percet kikapcsolva tölt.

A megengedett kapcsolási gyakoriság adja meg, hogy a motort óránként hányszor lehet bekapcsolni termikus túlterhelés nélkül. Ez az alábbiaktól függ:

• a gyorsítandó tehetetlenségi nyomatéktól
• a felfutás időtartamától
• a környezeti hőmérséklettől
• a bekapcsolási időtartamtól

A motor megengedett kapcsolási gyakorisága az alábbi intézkedésekkel növelhető:

• a szigetelési osztály javításával
• eggyel nagyobb motor választásával
• független hűtés felszerelésével
• a hajtómű lassító áttételének és ezáltal a tehetetlenségi viszonyok változtatásával

A rövidre zárt forgórészű háromfázisú váltakozó áramú motorok pólusváltással különböző fordulatszámokon üzemeltethetők. Az állórész hornyaiba több tekercset helyezve, vagy az áramirányt a tekercs egyes részeiben megfordítva különböző pólusszámok adódnak. Elválasztott tekercsek esetén a pólusszámonkénti teljesítmény kevesebb, mint a fele az azonos kiviteli méretű, egyfordulatú motor teljesítményének.

A pólusváltós, háromfázisú váltakozó áramú hajtóműves motorokat helyváltoztató hajtásként alkalmazzák. Kis pólusszámmal történő üzemeltetéskor nagy menetsebesség érhető el. A pozicionáláshoz átkapcsolnak a nagy pólusszámú, kis fordulatszámú tekercselésre. Ekkor a motor a tehetetlenség miatt megtartja a nagy fordulatszámát. A háromfázisú váltakozó áramú motor ebben a szakaszban generátorként működik, és lefékez. A mozgásenergia elektromos energiává alakul, és visszatáplálódik a hálózatba. Hátránya az átkapcsoláskori nagy nyomatéklökés, amely ugyanakkor megfelelő kapcsolási megoldásokkal csökkenthető.

A kedvező árú hajtásszabályozók aktuális fejlesztései sok alkalmazásnál a pólusváltós motorok egyfordulatú, frekvenciaszabályozott motorokkal való helyettesítését részesítik előnyben.

Az egyfázisú motor jó választás, ha az alkalmazás nem igényel nagy indítónyomatékot, ha egyfázisú váltakozó áramú hálózatra van csatlakoztatva, és inkább kis (2,2 kW-os vagy annál alacsonyabb) teljesítményű. Jellemzően a ventilátorokban, szivattyúkban és kompresszorokban alkalmazzák. Két alapvető konstrukciós különbséget kell megemlíteni:

Egyrészt a klasszikus háromfázisú váltakozó áramú aszinkronmotort csak a fázisra és a nullvezetőre csatlakoztatják. A harmadik fázist fáziseltolás útján, kondenzátor segítségével állítják elő. Mivel a kondenzátor csak 90 fokos fáziseltolást tud előállítani, 120 fokosat már nem, ezt a fajta egyfázisú motort rendszerint csak az összehasonlítható háromfázisú váltakozó áramú motor teljesítményének kétharmadára méretezik.

Az egyfázisú motor építésének másik módja a tekercs illesztése. Háromfázisú tekercs helyett csak két fázist valósítanak meg, és ezeket is különbözőképpen, fő- és segédfázisként. A térben 90 fokkal eltolt tekercsekre kondenzátor segítségével időben 90 fokkal eltolt áramot kapcsolnak. Ebből eredően forgómező keletkezik. A fő- és segédtekercs egyenlőtlen áramviszonyai rendszerint az azonos kiviteli méretű háromfázisú váltakozó áramú motor teljesítményének csak kétharmadát teszik lehetővé. Tipikus egyfázisú üzemeltetésre szolgáló motorokként tartjuk számon a kondenzátoros motorokat, az árnyékolt pólusú motorokat, valamint az indítómotorokat, amelyek kondenzátor nélkül is boldogulnak.

Az SEW-EURODRIVE-nál mindkét konstrukciós fajtájú egyfázisú motor szerepel a választékban – ezek a DRK.. motorok. Mindkettőt beépített üzemi kondenzátorral szállítjuk. Mivel a kondenzátor közvetlenül a csatlakozódobozban van elhelyezve, elkerülhetők a zavaró kontúrok (kompaktabb a motor). Üzemi kondenzátorral a névleges nyomaték kb. 45–50 százaléka áll rendelkezésre az induláshoz.

A nyomatékmotor a kalickás forgórészű háromfázisú váltakozó áramú motorok különleges kivitele. Ezt úgy méretezik, hogy még 0 fordulatszámon is csak akkora áramfelvétele legyen, hogy ne hevítse túl magát. Ez például ajtónyitáskor, váltóállításnál vagy présszerszámoknál praktikus, amikor elér egy pozíciót, amelyet motorosan és elektromosan biztonságosan tartani kell.

Az úgynevezett ellenáramú féküzem szintén egy szokásos üzemmód: itt egy külső teher képes a forgórészt a forgómező forgásirányával szemben megforgatni. A forgómező „fékezi” a fordulatszámot, és generátoros energiát von el a rendszerből, amelyet visszatáplál a hálózatba – kvázi forgó fék és mechanikai fékmunka nélkül.

Az SEW-EURODRIVE a DRM.. motorokkal 12 pólusú nyomatékmotort kínál, amelyeket termikusan tartós állóhelyzeti névleges nyomatékkifejtésre méreteztek. Az SEW-EURODRIVE nyomatékmotorok illeszkednek a különböző követelményekhez és sebességekhez, valamint üzemmódtól függően három névleges nyomatékkal kaphatók.

A közvetlenül a hálózatról üzemeltetett, és emellett szinkron fordulatszámot igénylő alkalmazásokhoz az SEW-EURODRIVE az úgynevezett LSPM (Line Start Permanent Magnet) technológiájú motorokat ajánlja. Az LSPM motorok esetében kiegészítő állandó mágnesekkel ellátott háromfázisú váltakozó áramú aszinkronmotorokról van szó. Ezek aszinkron módon indulnak, majd szinkronizálják magukat a betáplálási frekvenciára, és onnantól szinkronüzemben futnak. Ez a motortechnológia új, rugalmas alkalmazási lehetőségeket teremt a hajtástechnikában.

Ezeknek a kompakt hibrid motoroknak üzem közben nincs forgórészveszteségük, hatásfokuk pedig kiváló. Azonos hatásfokosztály mellett a DR..J motor kiviteli mérete LSPM technológiával két lépcsővel csökken az azonos teljesítményű alapmotorhoz képest.