โรเตอร์ (ไฟฟ้า)


โรเตอร์เป็นส่วนประกอบที่เคลื่อนที่ได้ของ ระบบ แม่เหล็กไฟฟ้าในมอเตอร์ไฟฟ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับการหมุนของโรเตอร์เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างขดลวดและสนามแม่เหล็กซึ่งก่อให้เกิดแรงบิดรอบแกนของโรเตอร์[ 1 ]
พัฒนาการในระยะเริ่มต้น
ตัวอย่างแรกๆ ของ การหมุน ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า คือ เครื่องจักรหมุนเครื่องแรกที่สร้างโดยÁnyos Jedlikโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าและคอมมิวเทเตอร์ในปี 1826-27 [ 2 ]ผู้บุกเบิกคนอื่นๆ ในด้านไฟฟ้าได้แก่Hippolyte Pixiiผู้สร้าง เครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสสลับในปี 1832 และการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กไฟฟ้าของWilliam Ritchie ที่มีขดลวดโรเตอร์สี่ขด คอม มิวเทเตอร์และแปรงถ่านในปี 1832 เช่นกัน การพัฒนาอย่างรวดเร็วรวมถึงการใช้งานที่มีประโยชน์มากขึ้น เช่นมอเตอร์ของMoritz Hermann Jacobi ที่สามารถยกน้ำหนักได้ 10 ถึง 12 ปอนด์ด้วยความเร็วหนึ่งฟุตต่อวินาที ซึ่งมีกำลังเชิงกลประมาณ 15 วัตต์ในปี 1834 ในปี 1835 Francis Watkins ได้อธิบาย "ของเล่น" ไฟฟ้าที่เขาสร้างขึ้น โดยทั่วไปแล้วเขาถือเป็นหนึ่งในคนแรกๆ ที่เข้าใจถึงความสามารถในการสลับเปลี่ยนระหว่างมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ประเภทและโครงสร้างของใบพัด
มอเตอร์เหนี่ยวนำ (แบบอะซิงโครนัส) เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และเครื่องสลับกระแส ( แบบซิง โครนัส ) มีระบบแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบด้วยสเตเตอร์และโรเตอร์ โรเตอร์ในมอเตอร์เหนี่ยวนำมีสองแบบคือ แบบกรงกระรอกและแบบขดลวด ส่วนในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องสลับกระแส โรเตอร์จะมีแบบขั้วเด่นหรือแบบทรงกระบอก
โรเตอร์กรงกระรอก
โรเตอร์แบบกรงกระรอกประกอบด้วยเหล็ก เคลือบ ในแกนกลาง โดยมีแท่งทองแดงหรืออะลูมิเนียมวางเรียงกันอย่างสม่ำเสมอตามแนวแกนรอบนอก และต่อกันอย่างถาวรที่ปลายด้วยวงแหวนปลาย[ 3 ]โครงสร้างที่เรียบง่ายและทนทานนี้ทำให้เป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ การประกอบมีจุดเด่นคือ แท่งเหล็กเอียงหรือบิดเบี้ยวเพื่อลดเสียงฮัมแม่เหล็กและฮาร์โมนิกของร่อง และลดแนวโน้มการล็อก โรเตอร์และฟันสเตเตอร์ที่อยู่ในสเตเตอร์สามารถล็อกกันได้เมื่อมีจำนวนเท่ากันและแม่เหล็กวางตัวห่างกันอย่างเท่าๆ กัน ทำให้เกิดการหมุนในทั้งสองทิศทาง[ 3 ]แบริ่งที่ปลายแต่ละด้านยึดโรเตอร์ไว้ในตัวเรือน โดยปลายด้านหนึ่งของเพลาจะยื่นออกมาเพื่อให้สามารถยึดโหลดได้ ในมอเตอร์บางตัวจะมีส่วนขยายที่ปลายด้านที่ไม่ใช่ด้านขับเคลื่อนสำหรับเซ็นเซอร์ความเร็วหรืออุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ แรงบิดที่เกิดขึ้นจะบังคับให้เกิดการเคลื่อนที่ผ่านโรเตอร์ไปยังโหลด
โรเตอร์แบบพันขดลวด
โรเตอร์แบบขดลวดเป็นแกนทรงกระบอกที่ทำจากแผ่นเหล็กบางๆ โดยมีร่องสำหรับยึดสายไฟสำหรับขดลวด 3 เฟส ซึ่งเว้นระยะห่างเท่าๆ กันที่ 120 องศาทางไฟฟ้า และเชื่อมต่อในรูปแบบ 'Y' [ 4 ]ขั้วต่อขดลวดโรเตอร์ถูกนำออกมาและติดเข้ากับวงแหวนสลิปสามวงด้วยแปรงบนเพลาของโรเตอร์[ 5 ]แปรงบนวงแหวนสลิปช่วยให้สามารถเชื่อมต่อตัวต้านทาน 3 เฟสภายนอกแบบอนุกรมกับขดลวดโรเตอร์เพื่อควบคุมความเร็วได้[ 6 ]ความต้านทานภายนอกจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของวงจรโรเตอร์เพื่อสร้างแรงบิด ขนาดใหญ่ เมื่อเริ่มมอเตอร์ เมื่อมอเตอร์เร่งความเร็วขึ้น ความต้านทานสามารถลดลงเหลือศูนย์ได้[ 5 ]


โรเตอร์ขั้วเด่น
โรเตอร์แบบขั้วเด่นสร้างขึ้นจากแผ่นเหล็กรูปดาวเรียงซ้อนกัน โดยทั่วไปจะมี "ก้านรัศมี" ยื่นออกมาจากตรงกลาง 2 หรือ 3 หรือ 4 หรือ 6 หรืออาจมากถึง 18 ก้านขึ้นไป ซึ่งแต่ละก้านจะพันด้วยลวดทองแดงเพื่อสร้างขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่หันออกด้านนอก ปลายที่หันเข้าด้านในของแต่ละก้านจะต่อลงดินทางแม่เหล็กกับตัวกลางร่วมของโรเตอร์ ขั้วเหล่านี้ได้รับกระแสตรงหรือถูกทำให้เป็นแม่เหล็กโดยแม่เหล็กถาวร[ 7 ]อาร์มาเจอร์ที่มีขดลวดสามเฟสอยู่บนสเตเตอร์ซึ่งมีการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จากตัวกระตุ้นภายนอกหรือจาก บริดจ์ ไดโอดที่ติดตั้งบนเพลาโรเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กและให้พลังงานแก่ขดลวดสนามหมุน และกระแสสลับจะให้พลังงานแก่ขดลวดอาร์มาเจอร์พร้อมกัน[ 8 ] [ 7 ]
ขั้วเด่นจะสิ้นสุดที่รองเท้าขั้ว ซึ่งเป็นส่วนที่ มีค่าการซึมผ่านสูงและมีพื้นผิวด้านนอกเป็นรูปทรงของส่วนทรงกระบอกเพื่อทำให้การกระจายของฟลักซ์แม่เหล็กไปยังสเตเตอร์ มีความสม่ำเสมอ [ 9 ]
โรเตอร์ที่ไม่โดดเด่น
โรเตอร์รูปทรงกระบอกทำจากเพลาเหล็กตันที่มีร่องวิ่งไปตามความยาวด้านนอกของทรงกระบอกเพื่อยึดขดลวดสนามของโรเตอร์ซึ่งเป็น แท่ง ทองแดง เคลือบ ที่สอดเข้าไปในร่องและยึดด้วยลิ่ม[ 10 ]ร่องเหล่านี้ถูกแยกฉนวนออกจากขดลวดและยึดไว้ที่ปลายโรเตอร์ด้วยวงแหวนสลิป แหล่งจ่ายกระแสตรง (DC) ภายนอกเชื่อมต่อกับวงแหวนสลิปที่ติดตั้งแบบศูนย์กลางโดยมีแปรงวิ่งไปตามวงแหวน[ 8 ]แปรงจะสัมผัสทางไฟฟ้ากับวงแหวนสลิปที่หมุนอยู่ กระแสตรงยังถูกจ่ายผ่านการกระตุ้นแบบไร้แปรงถ่านจากตัวเรียงกระแสที่ติดตั้งอยู่บนเพลาเครื่องจักรซึ่งแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง
หลักการทำงาน
ในเครื่องเหนี่ยวนำสามเฟส กระแสสลับที่จ่ายให้กับขดลวดสเตเตอร์จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กหมุน[ 11 ]ฟลักซ์นี้สร้างสนามแม่เหล็กในช่องว่างอากาศระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์ และเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าซึ่งทำให้เกิดกระแสไหลผ่านแท่งโรเตอร์ วงจรโรเตอร์จะลัดวงจรและกระแสจะไหลในตัวนำโรเตอร์[ 5 ]การทำงานของฟลักซ์หมุนและกระแสจะสร้างแรงที่สร้างแรงบิดเพื่อสตาร์ทมอเตอร์[ 11 ]
โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับประกอบด้วยขดลวดที่พันรอบแกนเหล็ก[ 12 ]ส่วนประกอบแม่เหล็กของโรเตอร์ทำจากแผ่นเหล็กบางๆ เพื่อช่วยในการขึ้นรูปช่องตัวนำให้มีรูปร่างและขนาดเฉพาะ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบแกน ซึ่งเรียกว่ากระแสสนาม [ 1 ] ความแรงของกระแสสนามจะควบคุมระดับพลังงานของสนามแม่เหล็ก กระแสตรง (DC) ขับเคลื่อนกระแสสนามไปในทิศทางเดียว และถูกส่งไปยังขดลวดโดยชุดแปรงและวงแหวนลื่น เช่นเดียวกับแม่เหล็กใดๆ สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ทิศทางการหมุนตามเข็ม นาฬิกา ปกติ ของมอเตอร์ที่โรเตอร์กำลังขับเคลื่อนอยู่นั้น สามารถควบคุมได้โดยใช้แม่เหล็กและสนามแม่เหล็กที่ติดตั้งไว้ในการออกแบบของโรเตอร์ ทำให้มอเตอร์สามารถหมุนย้อนกลับหรือทวนเข็มนาฬิกาได้[ 1 ] [ 12 ]
คุณลักษณะของโรเตอร์
- โรเตอร์นี้หมุนด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์ หรือความเร็วซิงโครนัส
- การลื่นไถลของโรเตอร์ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์ซึ่งจำเป็นต่อแรงบิดของมอเตอร์ โดยแรงบิดจะแปรผันตรงกับการลื่นไถล
- เมื่อความเร็วรอบของโรเตอร์เพิ่มขึ้น ค่าการลื่นไถลจะลดลง
- การเพิ่มค่าสลิปจะเพิ่มกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์ ซึ่งจะเพิ่มกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์ ส่งผลให้แรงบิดสูงขึ้นเพื่อรองรับภาระที่เพิ่มขึ้น
- โรเตอร์นี้ทำงานด้วยความเร็วคงที่และใช้กระแสเริ่มต้นต่ำ
- การเพิ่มความต้านทานภายนอกเข้าไปในวงจรโรเตอร์ จะช่วยเพิ่มแรงบิดเริ่มต้น
- ประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์จะดีขึ้นเมื่อความต้านทานภายนอกลดลงในขณะที่ความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้น
- แรงบิดและการควบคุมความเร็วที่สูงขึ้น
- โรเตอร์นี้ทำงานด้วยความเร็วต่ำกว่า 1500 รอบต่อนาที และแรงบิด 40% ของแรงบิดที่กำหนดโดยไม่มีการกระตุ้น
- มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ขนาดใหญ่ และความยาวตามแนวแกนสั้น
- ช่องว่างอากาศไม่สม่ำเสมอ
- โรเตอร์มีความแข็งแรงเชิงกลต่ำ
- โรเตอร์ทรงกระบอก
- ใบพัดหมุนด้วยความเร็วระหว่าง 1500-3600 รอบต่อนาที
- มีความแข็งแรงเชิงกลสูง
- ช่องว่างอากาศสม่ำเสมอ
- มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กแต่มีความยาวตามแนวแกนมาก และต้องการแรงบิดสูงกว่าโรเตอร์แบบขั้วเด่น
สมการโรเตอร์
แรงดันไฟฟ้าของแท่งโรเตอร์
สนามแม่เหล็กหมุนเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในแท่งโรเตอร์ขณะที่มันเคลื่อนผ่าน สมการนี้ใช้กับแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในแท่งโรเตอร์[ 11 ]
ที่ไหน:
- = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
- = สนามแม่เหล็ก
- = ความยาวตัวนำ
- = ความเร็วซิงโครนัส
- = ความเร็วของตัวนำ
แรงบิดในโรเตอร์
แรงบิดเกิดขึ้นจากแรงที่เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า ดังที่แสดงไว้ในสมการ: Ibid
ที่ไหน:
- = แรง
- = แรงบิด
- = รัศมีของวงแหวนโรเตอร์
- = แท่งโรเตอร์
สลิปของมอเตอร์เหนี่ยวนำ
สนามแม่เหล็กของสเตเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัสอ้างอิงจากแหล่งเดียวกัน
ที่ไหน:
- = ความถี่
- = จำนวนขั้ว
ถ้า= ความเร็วรอบของโรเตอร์ ค่าสลิป S สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำแสดงได้ดังนี้:
ความเร็วเชิงกลของโรเตอร์ ในแง่ของค่าสลิปและความเร็วซิงโครนัส:
ความเร็วสัมพัทธ์ของการลื่นไถล:
ความถี่ของแรงดันและกระแสเหนี่ยวนำ
ดูเพิ่มเติม
- อาร์มาเจอร์ (วิศวกรรมไฟฟ้า) - "โรเตอร์" ใดๆ ที่นำกระแสไฟฟ้าสลับใน รูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง
- เครื่องปรับสมดุล
- คอมมิวเทเตอร์ (ไฟฟ้า)
- มอเตอร์ไฟฟ้า
- ขดลวดสนาม
- โรเตอร์ไดนามิกส์
- สเตเตอร์