Doğrusal asenkron motor nasıl çalışır: ilerleyen alan, kayma ve itki

Dönen motordan düz motora

Sıradan üç fazlı bir asenkron motoru alın, statoru eksen boyunca kesin ve düzleme açın. Sargılar artık bir doğru üzerindedir ve dönen manyetik alan, yüzey boyunca kayan ilerleyen bir dalgaya dönüşmüştür. Sincap kafes olan rotor, genellikle alüminyum ya da bakırdan, arkası demirle desteklenmiş düz bir iletken levha olur.

Fizik değişmez. İlerleyen alan plakada girdap akımları indükler ve bu akımlar alanla etkileşerek hareket yönünde bir kuvvet üretir. Tork newton cinsinden itkiye, dev/dk cinsinden rotor hızı m/s ya da km/sa cinsinden araç hızına dönüşür.

Parçalardan herhangi biri hareket edebilir. Bazı sistemlerde stator ray boyunca sabittir ve araç plakayı taşır. Bazı maglev trenleri gibi diğerlerinde araç statoru taşır ve plaka kılavuz yol boyunca serilir. Ray, özdeş stator bölümlerinden oluşan uzun bir dizi ya da uzun bir plaka olduğu için motor, bir aracı dişli kutusu, tekerlek ya da halat olmadan yüzlerce metre boyunca hızlandırabilir.

Senkron hız: v_s = 2 × τ × f

İlerleyen alanın hızı yalnızca besleme frekansına ve komşu kutuplar arasındaki mesafeye, yani kutup adımı τ'ya bağlıdır. Bir elektriksel çevrimde alan iki kutup adımı ilerler; bu yüzden

v_s = 2 × τ × f

olur; burada τ metre, f hertz ve v_s metre/saniye cinsindendir. Kutup sayısı hızda görünmez. Bunu senkron hızı besleme frekansı ve kutup sayısıyla belirlenen dönen bir motorla karşılaştırın.

• τ = 120 mm, 50 Hz: v_s = 2 × 0,12 × 50 = 12 m/s, yani 43,2 km/sa
• τ = 120 mm, 25 Hz: v_s = 6 m/s, yani 21,6 km/sa
• τ = 250 mm, 50 Hz: v_s = 25 m/s, yani 90 km/sa

Bundan iki sonuç çıkar. Daha uzun kutup adımı daha hızlı bir makine verir; yüksek hızlı LIM'lerin geniş kutuplu olmasının nedeni budur. Ayrıca değişken frekanslı sürücü hızı doğrudan kontrol eder: frekansı yarıya indirirseniz alan ve araç yarı hızda gider.

Kayma ve itki

Dönen bir asenkron motorda olduğu gibi, plaka itki üretirken hiçbir zaman tam olarak alan hızıyla ilerleyemez. İlerleseydi göreli hareket, indüklenen akım ve kuvvet olmazdı. Kayma gecikmeyi ölçer:

s = (v_s − v) / v_s

Burada v araç hızıdır. Duruşta s = 1, senkron hızda s = 0'dır.

İtki, hava aralığından geçen gücün senkron hıza bölümüne eşittir:

F = P_hava_aralığı / v_s

Bu gücün bir kısmı yararlı mekanik güç F × v olur ve s oranındaki kısmı plakayı ısıtır:

P_plaka_kaybı = s × P_hava_aralığı

Bu, LIM'in neden küçük kaymada en verimli olduğunu ve kayma büyükken, duruştan hızlanırken neden verimsiz olduğunu açıklar. İtki s = 0'da sıfırdır ve 0 ile 1 arasındaki her kayma için pozitiftir; bu yüzden araç, itki sürtünmeden, eğimden ya da hava direncinden gelen karşı kuvvete eşit olana kadar hızlanır. Karşı kuvveti olmayan bir araç senkron hıza yaklaşır ama tam olarak ulaşmaz.

Tepki plakası, hava aralığı ve uç etkisi

Plakanın alanı itkiye ne kadar iyi çevirdiği, boyutsuz bir iyilik faktörüyle ifade edilir:

G = μ0 × ω × τ² × σ × d / (π² × g_e)

Burada ω = 2πf, σ plaka iletkenliği, d kalınlığı ve g_e etkin hava aralığıdır. G aynı zamanda mıknatıslama reaktansının plaka direncine oranıdır. Yüksek G için iyi bir iletken (alüminyum yerine bakır), yüksek frekans, uzun kutup adımı ve küçük aralık gerekir. Kalın plaka G'yi artırır ama etkin aralığı da büyütür; bu yüzden bedava bir iyileştirme değildir.

Dönen bir motor milimetrenin bir kesri kadar aralığa sahip olabilir. Doğrusal motor olamaz: araç rayı geçmek zorundadır, bu yüzden aralık artı plaka birkaç milimetredir. Mıknatıslama akımı etkin aralıkla büyür; bu nedenle LIM'in güç faktörü ve verimi düşüktür, çoğu zaman aynı anma değerindeki dönen bir makinenin epeyce altındadır. Tek taraflı LIM'de arka demir ayrıca statora doğru, itkiyle kıyaslanabilir ya da ondan büyük, büyük bir normal kuvvetle çekilir ve aracın bunu tekerlekler ya da levitasyon mıknatıslarıyla taşıması gerekir. Plakanın her iki yanında birer stator bulunan çift taraflı tasarım bunu giderir.

Uç etkisi diğer farktır. Dönen stator kapalı bir halkadır, ancak doğrusal statorun bir giriş ve bir çıkış kenarı vardır. Plakadaki girdap akımları, plaka alana girerken anında oluşamaz, çıkarken anında yok olamaz. Duruşta bunun önemi yoktur. Hızdayken plaka statoru akımların oturmasından daha hızlı geçer; mıknatıslama reaktansı düşer, ek bir kayıp ortaya çıkar ve itki azalır. Duncan modelinde etki, stator uzunluğu ve plaka direnciyle büyüyen, hızla küçülen bir Q parametresine bağlıdır. Küçük Q güçlü uç etkisi demektir; bu yüzden kısa statorlarda ve yüksek hızlarda en kötüdür. Daha uzun statorlar ve dengeleme sargıları onu azaltır.

Doğrusal asenkron motorlar nerede kullanılır?

Yük zaten doğrusal hareket ediyorsa ve temassız tahrik değerliyse LIM'ler seçilir.

• Maglev ve kentsel raylı sistem: Japonya'da Nagoya yakınındaki Linimo hattı, doğrusal motorlu manyetik levitasyon sistemiyle yolcuları 100 km/sa'e kadar hızlarla taşır; birkaç metro hattı da ağırlıktan kazanmak ve daha dik eğimleri çıkmak için LIM tahriki kullanır.
• Hız treni fırlatmaları: bir LIM (ya da doğrusal senkron motor) treni düz bir kesitte birkaç saniyede hızlandırır; aşınacak sürtünme tekerleği yoktur.
• Konveyörler, bagaj sistemleri ve sürgülü kapılar; sessiz ve temassız tahrikin önemli olduğu yerler.
• Test düzenekleri ve malzeme taşıma mekikleri.

LIM faz sırasını tersine çevirerek ya da frekansı araç hızının altına düşürerek de frenleme yapabilir; bu kaymayı negatif yapar ve makineyi jeneratöre dönüştürür.

Simülatör doğrusal asenkron motoru nasıl modeller?

Curvo Studio'nun doğrusal asenkron motor simülatörü, dönen asenkron motordakiyle aynı fazbaşı eşdeğer devreyi kullanır; plaka hava aralığında bulunduğu için ayrı bir plaka kaçak reaktansı yoktur. Tüm devre değerleri geometriden ve iki tasarım sayısından, anma gerilimi ve frekansından türetilir. Basitleştirmeleri olan bir öğretim modelidir: enine kenar etkisi, manyetik doyum, deri etkisi, demir kaybı ya da sıcaklık bağımlılığı yoktur.

• Senkron hız, sürücü frekansı kullanılarak v_s = 2 × τ × f'dir.
• Etkin aralık, mekanik aralık ile plaka kalınlığının toplamının 1,1 katıdır.
• Plaka direnci; alüminyumun (3,0 × 10⁷ S/m) ya da bakırın (5,0 × 10⁷ S/m) iletkenliğinden, kalınlıktan ve geometriden çıkar.
• Sürücü, anma frekansına kadar V/f oranını sabit tutar. Bunun üzerinde gerilim artmaz ve akı zayıflar.
• Uç etkisi, p × τ uzunluğundaki tek bir stator bölümüne uygulanan Duncan modelini kullanır. İdeal makineyi göstermek için kapatılabilir.
• Araç net kuvvetin (itki eksi yük) altında hızlanır ve fırlatma ray boyunca integre edilir.

Varsayılan makine için (τ = 120 mm, 6 kutup, 8 mm aralık, 5 mm alüminyum plaka, 400 V, 50 Hz, 1000 kg, 600 N karşı kuvvet) simülatör 12 m/s senkron hız verir. Araç yaklaşık 11,1 m/s'de (40 km/sa), %7,3 kaymayla oturur. Bu hızda itki 600 N'dur, duruş itkisi yaklaşık 1900 N, iyilik faktörü 6,0, güç faktörü 0,31 ve verim %53'tür.

Doğrusal asenkron motor simülatöründe deneyin

Doğrusal asenkron motor simülatörünü varsayılan ayarlarıyla başlatın.

• Sürücü frekansı (VFD) değerini 50 Hz'den 25 Hz'e değiştirin. Senkron hız 6 m/s'ye yarılanır ve araç yaklaşık 5,2 m/s'de oturur.
• Hava aralığı (mekanik) değerini 8 mm'den 16 mm'ye çıkarın. İyilik faktörü G 6,0'dan 3,7'ye düşer, kayma yaklaşık %10'a çıkar ve güç faktörü 0,31'den 0,26'ya iner. Büyük aralık performanstan götürür.
• Tepki plakası malzemesi'ni bakır yapın. G yaklaşık 10,1'e çıkar ve kayma yaklaşık %5'e düşer. Duruş itkisi yaklaşık 1300 N'a düşer, ancak makine daha küçük kaymayla çalışır.
• Uç etkisi'ni Uç etkisi var'dan İdeal'e çevirin. Verim yaklaşık %53'ten %76'ya çıkar; Uç etkili / ideal itki göstergesi, uç etkisi açıkken varsayılan hızda 0,80 gösterir.
• Karşı kuvvet'i, duruştaki itki onun altına inene kadar artırın. Araç hareket edemez.
• Normal (çekme) kuvveti göstergesine bakın: yaklaşık 1,8 kN; gerçek bir aracın bunu taşıması gerekir.

İtki–hız eğrisi ve Ray boyunca fırlatma grafikleri duruş itkisini, denge hızını ve rayın sonuna varış süresini okumanıza izin verir.

Simülatörde deneyin