Sähkömoottorit ilmestyivät melko kauan sitten, mutta suuri kiinnostus niitä kohtaan heräsi, kun ne alkoivat edustaa vaihtoehtoa polttomoottoreille. Erityisen kiinnostava on kysymys sähkömoottorin tehokkuudesta, joka on yksi sen pääominaisuuksista.
Jokaisella järjestelmällä on jonkinlainen tehokkuus, mikä luonnehtii sen työn tehokkuutta kokonaisuutena. Toisin sanoen se määrittää, kuinka hyvin järjestelmä tai laite toimittaa tai muuntaa energiaa. Arvon mukaan tehokkuudella ei ole arvoa, ja useimmiten se esitetään prosentteina tai lukuina nollasta yhteen.
Sähkömoottorien tehokkuusparametrit
Sähkömoottorin päätehtävä on muuttaa sähköenergia mekaaniseksi energiaksi. Tehokkuus määrittää tämän toiminnon tehokkuuden. Moottorin hyötysuhteen kaava on seuraava:
n=p2/p1
Tässä kaavassa p1 on syötetty sähköteho, p2 on hyödyllinen mekaaninen teho, joka tuotetaan suoraanmoottori. Sähköteho määritetään kaavalla: p1=UI (jännite kerrottuna virralla) ja mekaanisen tehon arvo kaavan P=A/t (työn suhde aikayksikköön) mukaan. Tältä näyttää sähkömoottorin hyötysuhteen laskeminen. Tämä on kuitenkin sen yksinkertaisin osa. Riippuen moottorin tarkoituksesta ja sen laajuudesta, laskenta vaihtelee ja ottaa huomioon monia muita parametreja. Itse asiassa moottorin hyötysuhteen kaava sisältää monia muita muuttujia. Yksinkertaisin esimerkki annettiin yllä.
Hentynyt tehokkuus
Sähkömoottorin mekaaninen hyötysuhde on otettava huomioon moottoria valittaessa. Moottorin lämmitykseen, tehonvähennykseen ja loisvirtauksiin liittyvät häviöt ovat erittäin tärkeitä. Useimmiten tehokkuuden lasku liittyy lämmön vapautumiseen, joka tapahtuu luonnollisesti moottorin käytön aikana. Lämmön vapautumisen syyt voivat olla erilaisia: moottori voi lämmetä kitkan aikana sekä sähköisistä ja jopa magneettisista syistä. Yksinkertaisimpana esimerkkinä voidaan mainita tilanne, jossa sähköenergiaan käytettiin 1000 ruplaa ja töitä tehtiin 700 ruplalla. Tässä tapauksessa hyötysuhde on 70%.
Sähkömoottorien jäähdyttämiseen puh altimia käytetään pakottamaan ilmaa luotujen rakojen läpi. Moottoriluokista riippuen lämmitys voidaan suorittaa tiettyyn lämpötilaan asti. Esimerkiksi luokan A moottorit voivat kuumentuajopa 85-90 astetta, luokka B - jopa 110 astetta. Jos lämpötila ylittää sallitun rajan, tämä voi olla merkki staattorin oikosulusta.
Sähkömoottorien keskihyötysuhde
On syytä huomata, että DC- (ja AC-)moottorin hyötysuhde vaihtelee kuormituksen mukaan:
- Hyötysuhde on 0 % tyhjäkäynnillä.
- 25 %:n kuormituksella tehokkuus on 83 %.
- 50 % kuormituksella hyötysuhde on 87 %.
- 75 % kuormituksella hyötysuhde on 88 %.
- 100 %:n kuormituksella hyötysuhde on 87 %.
Yksi tehokkuuden laskun syistä on virtojen epäsymmetria, kun jokaiseen kolmeen vaiheeseen kohdistetaan eri jännite. Jos esimerkiksi ensimmäisen vaiheen jännite on 410 V, toisen - 403 V ja kolmannen - 390 V, niin keskiarvo on 401 V. Epäsymmetria on tässä tapauksessa yhtä suuri kuin erotuksen vaiheiden maksimi- ja minimijännitteet (410 -390), eli 20 V. Moottorin hyötysuhteen kaava häviöiden laskemiseksi näyttää tilanteessamme tältä: 20/401100=4,98%. Tämä tarkoittaa, että menetämme 5 % tehokkuutta käytön aikana vaiheiden jännite-eron vuoksi.
Kokonaishäviöt ja tehokkuuden lasku
Sähkömoottorin hyötysuhteen laskuun vaikuttavat monet negatiiviset tekijät. On olemassa tiettyjä menetelmiä, joiden avulla voit määrittää ne. Voit esimerkiksi määrittää, onko olemassa aukko, jonka kautta teho siirtyy osittain verkosta staattoriin ja sitten roottoriin.
Käynnistyshäviöitä esiintyy myös, ja ne koostuvat useistaarvot. Ensinnäkin nämä voivat olla pyörrevirtoihin ja staattorisydämien uudelleenmagnetoitumiseen liittyviä häviöitä.
Jos moottori on asynkroninen, roottorin ja staattorin hampaista aiheutuu lisähäviöitä. Pyörrevirtoja voi esiintyä myös yksittäisissä moottorin osissa. Kaikki tämä yhteensä vähentää sähkömoottorin hyötysuhdetta 0,5 %. Asynkronisissa moottoreissa kaikki käytön aikana mahdollisesti ilmenevät häviöt otetaan huomioon. Siksi hyötysuhde voi vaihdella välillä 80-90%.
Autojen moottorit
Sähkömoottorien kehityksen historia alkaa sähkömagneettisen induktion lain löytämisestä. Hänen mukaansa induktiovirta liikkuu aina siten, että se vastustaa sen aiheuttavaa syytä. Tämä teoria muodosti perustan ensimmäisen sähkömoottorin luomiselle.
Modernit mallit perustuvat samaan periaatteeseen, mutta eroavat radikaalisti ensimmäisistä kopioista. Sähkömoottoreista on tullut paljon tehokkaampia, kompaktimpia, mutta mikä tärkeintä, niiden hyötysuhde on kasvanut merkittävästi. Olemme jo kirjoittaneet edellä sähkömoottorin tehokkuudesta, ja polttomoottoriin verrattuna tämä on hämmästyttävä tulos. Esimerkiksi polttomoottorin maksimihyötysuhde on 45 %.
Sähkömoottorin edut
Suuri hyötysuhde on tällaisen moottorin tärkein etu. Ja jos polttomoottori kuluttaa yli 50% energiasta lämmitykseen, niin sähkömoottorissa pieni osa kuluu lämmitykseenenergiaa.
Toinen etu on keveys ja kompakti koko. Esimerkiksi Yasa Motors on luonut moottorin, jonka paino on vain 25 kg. Se pystyy tuottamaan 650 Nm, mikä on erittäin hyvä tulos. Myös tällaiset moottorit ovat kestäviä, eivät tarvitse vaihdelaatikkoa. Monet sähköautojen omistajat puhuvat sähkömoottoreiden tehokkuudesta, mikä on jossain määrin loogista. Loppujen lopuksi sähkömoottori ei vapauta palamistuotteita käytön aikana. Monet kuljettajat unohtavat kuitenkin, että sähkön tuottamiseen on käytettävä hiiltä, kaasua tai rikastettua uraania. Kaikki nämä elementit saastuttavat ympäristöä, joten sähkömoottoreiden ympäristöystävällisyys on erittäin kiistanalainen kysymys. Kyllä, ne eivät saastuta ilmaa käytön aikana. Heille voimalaitokset tekevät tämän sähköntuotannossa.
Paranna sähkömoottoreiden tehokkuutta
Sähkömoottoreissa on haittoja, jotka vaikuttavat huonosti työn tehokkuuteen. Näitä ovat heikko käynnistysmomentti, suuri käynnistysvirta sekä epäjohdonmukaisuus akselin mekaanisen vääntömomentin ja mekaanisen kuormituksen välillä. Tämä johtaa siihen, että laitteen tehokkuus laskee.
Tehokkuuden parantamiseksi he yrittävät kuormittaa moottoria vähintään 75 %:iin ja lisäävät tehokertoimia. Käytettävissä on myös erikoislaitteita syötettävän virran ja jännitteen taajuuden säätämiseen, mikä myös lisää tehokkuutta ja tehokkuutta.
Yksi suosituimmista sähkömoottorin tehokkuutta lisäävistä laitteista on sileäkäynnistys, mikä rajoittaa syöttövirran kasvunopeutta. Taajuusmuuttajien avulla on myös tarkoituksenmukaista muuttaa moottorin pyörimisnopeutta muuttamalla jännitteen taajuutta. Tämä vähentää virrankulutusta ja tarjoaa moottorin tasaisen käynnistyksen, korkean säätötarkkuuden. Myös käynnistysmomentti kasvaa, ja vaihtelevalla kuormituksella pyörimisnopeus tasaantuu. Tämän seurauksena sähkömoottorin hyötysuhde paranee.
Moottorin maksimitehokkuus
Rakennustyypistä riippuen sähkömoottoreiden hyötysuhde voi vaihdella 10 - 99 %. Kaikki riippuu siitä, minkälainen moottori on kyseessä. Esimerkiksi mäntätyyppisen pumppumoottorin hyötysuhde on 70-90 %. Lopputulos riippuu valmistajasta, laitteen suunnittelusta jne. Samaa voidaan sanoa nosturin moottorin tehokkuudesta. Jos se on 90%, tämä tarkoittaa, että 90% kulutetusta sähköstä käytetään mekaanisten töiden suorittamiseen, loput 10% käytetään osien lämmittämiseen. Silti on olemassa menestyneimmät sähkömoottorimallit, joiden hyötysuhde lähestyy 100 %, mutta ei ole sama kuin tämä arvo.
Onko mahdollista saavuttaa yli 100 % tehokkuus?
Ei ole mikään salaisuus, että sähkömoottoreita, joiden hyötysuhde ylittää 100 %, ei voi olla luonnossa, koska tämä on ristiriidassa energian säilymisen peruslain kanssa. Tosiasia on, että energia ei voi tulla tyhjästä ja kadota samalla tavalla. Jokainen moottori tarvitseeenergialähde: bensiini, sähkö. Bensiini ei kuitenkaan ole ikuista, kuten sähkö, koska sen varastoja on täydennettävä. Mutta jos olisi energialähde, jota ei tarvinnut täydentää, niin olisi täysin mahdollista luoda moottori, jonka hyötysuhde on yli 100%. Venäläinen keksijä Vladimir Chernyshov esitti kuvauksen moottorista, joka perustuu kestomagneettiin, ja sen hyötysuhde, kuten keksijä itse vakuuttaa, on yli 100%.
Vesivoima esimerkkinä ikuisesta liikkeestä
Otetaan esimerkiksi vesivoimalaitos, jossa energiaa syntyy putoamalla suurelta vedestä. Vesi kääntää turbiinin, joka tuottaa sähköä. Veden putoaminen tapahtuu Maan painovoiman vaikutuksesta. Ja vaikka sähkön tuotantotyötä tehdään, Maan painovoima ei heikkene, eli vetovoima ei vähene. Sitten vesi haihtuu auringonvalon vaikutuksesta ja tulee jälleen säiliöön. Tämä päättää syklin. Tämän seurauksena sähköä on tuotettu ja sen tuotantokustannukset ovat palautuneet.
Voimme tietysti sanoa, että aurinko ei ole ikuinen, se on totta, mutta se kestää pari miljardia vuotta. Mitä tulee painovoimaan, se tekee jatkuvasti työtä ja vetää kosteutta pois ilmakehästä. Yleisesti ottaen vesivoimala on mekaanista energiaa sähköenergiaksi muuttava moottori, jonka hyötysuhde on yli 100 %. Tämä tekee selväksi, että ei kannata pysähtyä etsimään tapoja luoda sähkömoottori, jonka hyötysuhde voi olla yli 100%. Loppujen lopuksi ei vain painovoimaa voida käyttää ehtymättömänä lähteenäenergiaa.
Kesyvät magneetit moottoreiden energialähteinä
Toinen mielenkiintoinen lähde on kestomagneetti, joka ei saa energiaa mistään ja magneettikenttä ei kulu edes töitä tehdessä. Esimerkiksi, jos magneetti vetää jotain puoleensa, se tekee työn, eikä sen magneettikenttä heikkene. Tätä ominaisuutta on jo kokeiltu useammin kuin kerran ns. ikuisen liikekoneen luomiseksi, mutta toistaiseksi siitä ei ole tullut mitään enemmän tai vähemmän normaalia. Jokainen mekanismi kuluu ennemmin tai myöhemmin, mutta itse lähde, joka on kestomagneetti, on käytännössä ikuinen.
On kuitenkin asiantuntijoita, jotka sanovat, että ajan myötä kestomagneetit menettävät vahvuutensa ikääntymisen seurauksena. Tämä ei ole totta, mutta vaikka se olisikin totta, olisi mahdollista saada hänet takaisin henkiin yhdellä sähkömagneettisella pulssilla. Moottori, joka vaatisi uudelleenlatauksen 10-20 vuoden välein, vaikka se ei voi väittää olevansa ikuinen, on hyvin lähellä tätä.
Kestomagneetteihin perustuvan ikuisen liikekoneen luomiseksi on jo yritetty monta kertaa. Valitettavasti tähän mennessä ei ole onnistunut ratkaisuja. Mutta kun otetaan huomioon se tosiasia, että tällaisille moottoreille on kysyntää (ei yksinkertaisesti voi olla), on täysin mahdollista, että lähitulevaisuudessa näemme jotain, joka tulee hyvin lähelle uusiutuvalla energialla toimivaa perpetual motion machine -mallia..
Johtopäätös
Sähkömoottorin hyötysuhde on tärkein parametri, joka määrittää tietyn moottorin hyötysuhteen. Mitä suurempi hyötysuhde, sitä parempi moottori. Moottorissa, jonka hyötysuhde on 95%, melkein kaikkikäytetty energia kuluu työntekoon ja vain 5 % ei kuluta tarpeeseen (esimerkiksi varaosien lämmittämiseen). Nykyaikaiset dieselmoottorit voivat saavuttaa 45 prosentin hyötysuhteen, ja tätä pidetään viileänä tuloksena. Bensiinimoottorien hyötysuhde on vieläkin pienempi.
