مبدأ المحرك الكهربائي

Un moteur électrique est un convertisseur électromécanique (machine électrique) qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Dans les moteurs électriques conventionnels, les bobines conductrices conductrices de courant génèrent des champs magnétiques dont les forces d’attraction et de répulsion mutuelles sont mises en oeuvre en mouvement. Ainsi, le moteur électrique est la contrepartie du groupe électrogène construit très similaire qui convertit la puissance du moteur en énergie électrique. Les moteurs électriques génèrent généralement des mouvements de rotation, mais ils peuvent également être utilisés pour les mouvements de translation construits (actionneur linéaire). Les moteurs électriques sont utilisés pour conduire de nombreux équipements, machines et véhicules.

Principe d’opération
Les moteurs électriques sont des dispositifs qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique. Le moyen de cette transformation de l’énergie dans les moteurs électriques est le champ magnétique. Il existe différents types de moteurs électriques et chaque type a différents composants dont la structure détermine l’interaction des flux électriques et magnétiques qui provoquent la force ou le couple du moteur.

Le principe fondamental est que la loi de Lorentz décrit comment une force est provoquée par l’interaction d’une charge électrique q ponctuelle dans des champs électriques et magnétiques.

où:
q: charge électrique ponctuelle
E: champ électrique
v: vitesse des particules
B: densité de champ magnétique

Dans le cas d’un champ purement électrique, l’expression de l’équation est réduite à:

La force dans ce cas est uniquement déterminée par la charge q et par le champ électrique E. C’est la force de Coulomb qui agit le long du conducteur à l’origine du flux électrique, par exemple dans les bobines du stator des machines à induction ou dans le rotor. des moteurs à courant continu.

Dans le cas d’un champ purement magnétique:

La force est déterminée par la charge, la densité du champ magnétique B et la vitesse de la charge v. Cette force est perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de la vitesse de la charge. Il y a normalement beaucoup de charges en mouvement, il est donc pratique de réécrire l’expression en termes de densité de charge Fv (force par unité de volume):

Au produit  il est connu sous le nom de densité de courant J (ampères par mètre carré):

Ensuite, l’expression résultante décrit la force produite par l’interaction du courant avec un champ magnétique:

C’est un principe de base qui explique l’origine des forces dans les systèmes électromécaniques tels que les moteurs électriques. Cependant, la description complète de chaque type de moteur électrique dépend de ses composants et de sa construction.

Moteur linéaire
Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui a été “déroulé” de sorte que, au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur.

Les moteurs linéaires sont le plus souvent des moteurs à induction ou des moteurs pas à pas. Les moteurs linéaires se trouvent couramment dans de nombreuses montagnes russes où le mouvement rapide du wagon sans moteur est contrôlé par le rail. Ils sont également utilisés dans les trains maglev, où le train “survole” le sol. À une plus petite échelle, le traceur HP 7225A de l’ère 1978 utilisait deux moteurs pas à pas linéaires pour déplacer le stylet le long des axes X et Y.

Électromagnétisme

Force et couple
L’objectif fondamental de la grande majorité des moteurs électriques du monde est d’induire de manière électromagnétique un mouvement relatif dans un entrefer entre un stator et un rotor afin de produire un couple utile ou une force linéaire.

Selon la loi sur la force de Lorentz, la force d’un conducteur de bobinage peut être déterminée simplement par:

ou plus généralement de manipuler des conducteurs de n’importe quelle géométrie:

Les méthodes les plus générales de calcul des forces dans les moteurs utilisent des tenseurs.

Puissance
Où rpm est la vitesse de l’arbre et T est le couple, la puissance mécanique Pem du moteur est donnée par,

en unités britanniques avec T exprimé en pied-livres,
 (puissance), et

en unités SI avec une vitesse angulaire de l’arbre exprimée en radians par seconde et T exprimée en Newton-mètres,
 (watts).

Pour un moteur linéaire, avec la force F exprimée en newtons et la vitesse v exprimée en mètres par seconde,

 (watts).

Dans un moteur asynchrone ou à induction, la relation entre la vitesse du moteur et la puissance de l’entrefer est, en négligeant l’effet peau, donnée par ce qui suit:
 , où

Rr – résistance du rotor
r 2 – carré du courant induit dans le rotor
s – glissement du moteur; c’est-à-dire la différence entre la vitesse synchrone et la vitesse de glissement, qui fournit le mouvement relatif nécessaire à l’induction de courant dans le rotor.

Retour emf
Étant donné que les enroulements d’induit d’un moteur à courant continu ou universel se déplacent dans un champ magnétique, ils sont induits par une tension. Cette tension a tendance à s’opposer à la tension d’alimentation du moteur et est donc appelée “force électromotrice de retour (emf)”. La tension est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur. La force arrière du moteur, plus la chute de tension sur la résistance interne de l’enroulement et des balais, doit être égale à la tension sur les balais. Ceci fournit le mécanisme fondamental de la régulation de la vitesse dans un moteur à courant continu. Si la charge mécanique augmente, le moteur ralentit. il en résulte une emf lombo-sacrée et plus de courant est tiré de l’alimentation. Cette augmentation de courant fournit le couple supplémentaire nécessaire pour équilibrer la nouvelle charge.
Dans les machines à courant alternatif, il est parfois utile de considérer une source de type emf au sein de la machine; à titre d’exemple, cela est particulièrement préoccupant pour la régulation de vitesse rapprochée des moteurs à induction sur les VFD.

Pertes
Les pertes de moteur sont principalement dues aux pertes résistives dans les enroulements, aux pertes au cœur et aux pertes mécaniques dans les paliers, ainsi qu’aux pertes aérodynamiques, en particulier en présence de ventilateurs de refroidissement.

Des pertes se produisent également lors de la commutation, des commutateurs mécaniques et des commutateurs électroniques et dissipent également la chaleur.

Efficacité
Pour calculer l’efficacité d’un moteur, la puissance de sortie mécanique est divisée par la puissance d’entrée électrique:
 ,

où  est l’efficacité de la conversion d’énergie,  est la puissance d’entrée électrique, et  est la puissance de sortie mécanique:

où  est la tension d’entrée,  est le courant d’entrée, T est le couple de sortie et  est la vitesse angulaire de sortie. Il est possible de déterminer analytiquement le point d’efficacité maximale. Il est généralement inférieur à la moitié du couple de décrochage.

Divers organismes de réglementation dans de nombreux pays ont introduit et mis en œuvre une législation visant à encourager la fabrication et l’utilisation de moteurs électriques à plus haut rendement.

Facteur de bonté
Eric Laithwaite a proposé une métrique pour déterminer la “bonté” d’un moteur électrique: 

Où:
 est le facteur de qualité (les facteurs supérieurs à 1 sont susceptibles d’être efficaces)
 sont les sections transversales du circuit magnétique et électrique
 sont les longueurs des circuits magnétiques et électriques
 est la perméabilité du noyau
 est la fréquence angulaire à laquelle le moteur est entraîné

Il en ressort que les moteurs les plus efficaces sont susceptibles de comporter des pôles magnétiques relativement grands. Cependant, l’équation ne concerne directement que les moteurs non-PM.

Paramètres de performance

Capacité de couple des types de moteur
Tous les moteurs électromagnétiques, y compris les types mentionnés ici, tirent le couple du produit vectoriel des champs en interaction. Pour calculer le couple, il est nécessaire de connaître les champs dans l’entrefer. Une fois que ceux-ci ont été établis par analyse mathématique à l’aide de FEA ou d’autres outils, le couple peut être calculé comme l’intégrale de tous les vecteurs de force multipliés par le rayon de chaque vecteur. Le courant circulant dans l’enroulement produit les champs et pour un moteur utilisant un matériau magnétique, le champ n’est pas linéairement proportionnel au courant. Cela rend le calcul difficile, mais un ordinateur peut effectuer les nombreux calculs nécessaires.

Une fois que cela est fait, une figure reliant le courant au couple peut être utilisée comme paramètre utile pour la sélection du moteur. Le couple maximal d’un moteur dépendra du courant maximal, même s’il ne sera généralement utilisable que jusqu’à ce que les considérations thermiques prévalent.

Conçues de manière optimale dans le cadre d’une contrainte de saturation du noyau donnée et pour un courant actif (c.-à-d., Couple de couple), une tension, un nombre de paires de pôles, une fréquence d’excitation (c.-à-d., Une vitesse synchrone) et une densité de flux d’entrefer différentes, toutes catégories de moteurs ou les générateurs présenteront pratiquement le même couple maximal d’arbre continu (c’est-à-dire le couple de manoeuvre) dans une zone d’entrefer donnée avec des fentes d’enroulement et une profondeur de fer à repasser, qui détermine la taille physique du noyau électromagnétique. Certaines applications nécessitent des éclats de couple supérieurs au couple de fonctionnement maximal, tels que des éclats de couple brefs pour accélérer un véhicule électrique à l’arrêt. Toujours limitée par la saturation du noyau magnétique ou l’élévation de la température et de la tension de fonctionnement en toute sécurité, la capacité d’éclatement du couple au-delà du couple de fonctionnement maximal varie considérablement d’une catégorie de moteur à l’autre ou d’un groupe électrogène.

La capacité pour des éclats de couple ne doit pas être confondue avec la capacité d’affaiblissement du champ. L’affaiblissement du champ permet à une machine électrique de fonctionner au-delà de la fréquence d’excitation prévue. L’affaiblissement du champ est effectué lorsque la vitesse maximale ne peut pas être atteinte en augmentant la tension appliquée. Ceci s’applique uniquement aux moteurs avec des champs contrôlés par le courant et ne peut donc pas être réalisé avec des moteurs à aimants permanents.

Les machines électriques sans topologie de circuit de transformateur, telles que celles des WRSM ou des PMSM, ne peuvent pas générer des sursauts de couple supérieurs au couple maximal conçu sans saturer le noyau magnétique et rendre inutile toute augmentation de courant. En outre, l’assemblage d’aimants permanents des PMSM peut être irrémédiablement endommagé si l’on essaie de générer des couples excédant le couple nominal de fonctionnement maximal.

Les machines électriques avec une topologie de circuit de transformateur, telles que les machines à induction, les machines électriques à double alimentation à induction et les machines à double alimentation à rotor bobiné à induction ou synchrones (WRDF), présentent des poussées de couple très élevées en raison du courant actif induit par le emf sur côté du transformateur s’opposent et ne contribuent donc en rien à la densité de flux du noyau magnétique couplée au transformateur, ce qui conduirait sinon à la saturation du noyau.

Les machines électriques qui reposent sur des principes d’induction ou asynchrones court-circuitent un port du circuit du transformateur. Par conséquent, l’impédance réactive du circuit du transformateur devient dominante à mesure que le glissement augmente, ce qui limite l’amplitude du courant actif (c’est-à-dire réel). Néanmoins, des éclats de couple deux à trois fois supérieurs au couple maximal prévu peuvent être atteints.

La machine à double alimentation synchrone à rotor bobiné sans balais (BWRSDF) est la seule machine électrique dotée d’une véritable topologie de circuit de transformateur à deux ports (c.-à-d. Que les deux ports sont excités indépendamment sans port court-circuité). La topologie du circuit de transformateur à double accès est connue pour être instable et nécessite un ensemble polyphasé à anneau collecteur-brosse pour transmettre une puissance limitée au jeu d’enroulement du rotor. Si un moyen de précision était disponible pour contrôler instantanément l’angle et le glissement du couple pour un fonctionnement synchrone lors de la motorisation ou de la génération tout en fournissant simultanément de l’énergie sans balai au groupe d’enroulement du rotor, le courant actif de la machine BWRSDF serait indépendant de l’impédance réactive du circuit du transformateur et des éclats de couple nettement supérieurs au couple de fonctionnement maximal et bien au-delà de la capacité pratique de tout autre type de machine électrique seraient réalisables. Les éclats de couple supérieurs à huit fois le couple de fonctionnement ont été calculés.

Densité de couple continue
La densité de couple continue des machines électriques conventionnelles est déterminée par la taille de la zone de l’entrefer et la profondeur du fer à repasser, qui sont déterminées par la puissance nominale de l’ensemble d’enroulement d’induit, la vitesse de la machine et la capacité de ventilation densité de flux gap avant saturation du noyau. Malgré la forte coercivité des aimants permanents au néodyme ou au samarium-cobalt, la densité de couple continue est pratiquement la même parmi les machines électriques dotées de groupes de bobinage d’induit conçus de manière optimale. La densité de couple continue se rapporte au procédé de refroidissement et à la période de fonctionnement admissible avant destruction par surchauffe des enroulements ou endommagement de l’aimant permanent.

D’autres sources indiquent que les différentes topologies de machines électroniques ont des densités de couple différentes. Une source montre ce qui suit:

Type de machine électrique Densité de couple spécifique (Nm / kg)
SPM – ca sans balai, conduction de courant à 180 ° 1,0
SPM – ca sans brosse, conduction de courant à 120 ° 0.9-1.15
IM, machine asynchrone 0,7-1,0
IPM, machine à aimants permanents intérieure 0.6-0.8
VRM, machine à réticence doublement saillante 0,7-1,0

où – la densité de couple spécifique est normalisée à 1,0 pour le SPM – conduction de courant alternatif sans balai et à 180 °, SPM est une machine à aimant permanent de surface.

La densité de couple est environ quatre fois supérieure pour les moteurs électriques refroidis par liquide par rapport à ceux refroidis par air.

Une source comparant le courant continu (CC), les moteurs à induction (IM), les moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) et les moteurs à réluctance commutée (SRM) a révélé:

Caractéristiques dc JE SUIS PMSM MRS
Densité de couple 3 3,5 5 4
La densité de puissance 3 4 5 3,5

Une autre source note que les machines synchrones à aimant permanent jusqu’à 1 MW ont une densité de couple considérablement plus élevée que les machines à induction.

Densité de puissance continue
La densité de puissance continue est déterminée par le produit de la densité de couple continue et de la plage de vitesse de couple constante de la machine électrique.

Moteurs magnétiques spéciaux

Rotatif

Moteur à rotor sans fer ou sans noyau
Rien dans le principe de l’un des moteurs décrits ci-dessus n’exige que les parties en fer (acier) du rotor tournent réellement. Si le matériau magnétique doux du rotor est fabriqué sous la forme d’un cylindre, un couple est alors exercé (sauf pour l’effet d’hystérésis) uniquement sur les enroulements des électroaimants. Profitant de ce fait, le moteur à courant continu sans noyau ou sans fer est une forme spécialisée de moteur à courant continu à aimant permanent. Optimisés pour une accélération rapide, ces moteurs ont un rotor construit sans aucun noyau de fer. Le rotor peut prendre la forme d’un cylindre rempli d’enroulement ou d’une structure autoportante comprenant uniquement le fil magnétique et le matériau de liaison. Le rotor peut s’insérer dans les aimants du stator; un cylindre stationnaire magnétiquement doux à l’intérieur du rotor fournit un chemin de retour pour le flux magnétique du stator. Un deuxième agencement comprend un panier d’enroulement de rotor entourant les aimants du stator. Dans cette conception, le rotor s’insère dans un cylindre magnétiquement doux qui peut servir de logement au moteur et fournit également un chemin de retour pour le flux.

Parce que le rotor est beaucoup plus léger (masse) qu’un rotor conventionnel formé d’enroulements de cuivre sur des tôles d’acier, le rotor peut accélérer beaucoup plus rapidement, atteignant souvent une constante de temps mécanique inférieure à une ms. Cela est particulièrement vrai si les enroulements utilisent de l’aluminium plutôt que du cuivre plus lourd. Mais comme il n’ya pas de masse métallique dans le rotor qui puisse servir de dissipateur thermique, même les petits moteurs sans noyau doivent souvent être refroidis par air forcé. La surchauffe pourrait être un problème pour les conceptions de moteurs à courant continu sans noyau. Les logiciels modernes, tels que Motor-CAD, peuvent aider à augmenter l’efficacité thermique des moteurs tout en étant au stade de la conception.

Parmi ces types, on trouve les types à rotor à disques, décrits plus en détail dans la section suivante.

L’alerte vibrante des téléphones cellulaires est parfois générée par de minuscules types de champs d’aimants permanents cylindriques, mais il existe également des types en forme de disque dotés d’un aimant de champ de disque multipolaire mince et d’une structure de rotor en plastique moulé intentionnellement non équilibrée avec deux bobines sans noyau collées. Des brosses métalliques et un commutateur plat commutent l’alimentation des bobines du rotor.

Les actionneurs à course limitée associés n’ont pas de noyau et une bobine collée est placée entre les pôles des aimants permanents à flux élevé. Ce sont les positionneurs rapides pour les lecteurs de disques rigides (“disques durs”). Bien que la conception contemporaine diffère considérablement de celle des haut-parleurs, elle est toujours appelée de manière lâche (et à tort) une structure de “bobine vocale”, car certaines têtes de lecteur de disque rigide antérieures se déplaçaient en lignes droites et disposaient d’une structure celui d’un haut-parleur.

Crêpe ou moteur à rotor axial
Le moteur à armature ou à crêpe imprimé a les enroulements en forme de disque inséré entre des réseaux d’aimants à flux élevé. Les aimants sont disposés en cercle face au rotor avec un espace entre eux pour former un entrefer axial. Cette conception est communément appelée moteur à crêpes en raison de son profil plat. La technologie a eu beaucoup de noms de marque depuis sa création, tels que ServoDisc.

L’armature imprimée (formée à l’origine sur une carte de circuit imprimé) dans un moteur d’induit imprimé est constituée de feuilles de cuivre perforées laminées ensemble à l’aide de composites avancés pour former un disque rigide mince. L’armature imprimée a une construction unique dans le monde des moteurs à balais, en ce sens qu’elle ne possède pas de commutateur à anneau séparé.Les brosses passent directement sur la surface de l’armature, ce qui rend le design très compact.

Un autre procédé de fabrication consiste à utiliser un fil de cuivre enroulé posé à plat avec un commutateur central conventionnel, en forme de fleur et de pétale. Les enroulements sont généralement stabilisés avec des systèmes d’enrobage époxy électriques. Ce sont des époxydes remplis qui ont une viscosité modérée et mixte et une longue durée de gélification. Ils sont caractérisés par un faible retrait et une faible exothermie. Ils sont généralement reconnus UL 1446 comme étant un composé d’enrobage isolé à 180 ° C, classe H.

L’avantage unique des moteurs à courant continu sans fer est l’absence de denture (variations de couple causées par le changement d’attraction entre le fer et les aimants). Les courants de Foucault parasites ne peuvent pas se former dans le rotor car il est totalement dépourvu de fer, bien que les rotors en fer soient laminés. Cela peut améliorer considérablement l’efficacité, mais les contrôleurs à vitesse variable doivent utiliser un taux de commutation supérieur (> 40 kHz) ou une tension continue en raison de la diminution de l’induction électromagnétique.

Ces moteurs ont été inventés à l’origine pour entraîner le (s) cabestan (s) de lecteurs de bande magnétique, où un temps minimal pour atteindre la vitesse de fonctionnement et une distance d’arrêt minimale étaient essentiels. Les moteurs à crêpes sont largement utilisés dans les systèmes asservis à haute performance, les systèmes robotiques, l’automatisation industrielle et les dispositifs médicaux. En raison de la diversité des constructions actuellement disponibles, cette technologie est utilisée dans des applications allant des pompes militaires à haute température aux pompes à faible coût et aux servos de base.

Une autre approche (Magnax) consiste à utiliser un seul stator pris en sandwich entre deux rotors.Une de ces conceptions a produit une puissance de pointe de 15 kW / kg, une puissance soutenue autour de 7,5 kW / kg. Ce moteur à flux axial sans fil offre un chemin de flux plus court, maintenant les aimants plus éloignés de l’axe. La conception permet un débordement nul de l’enroulement;100% des enroulements sont actifs. Ceci est amélioré avec l’utilisation d’un fil de cuivre de section rectangulaire. Les moteurs peuvent être empilés pour fonctionner en parallèle. Les instabilités sont minimisées en veillant à ce que les deux disques du rotor exercent des forces égales et opposées sur le disque de stator. Les rotors sont reliés directement les uns aux autres via un anneau d’arbre, annulant les forces magnétiques.

La taille des moteurs Magnax varie de 15 à 5,4 mètres (5,9 pouces – 17 pieds et 8,6 pouces).

Servomoteur
Un servomoteur est un moteur, très souvent vendu sous forme de module complet, utilisé dans un système de contrôle de position ou de contrôle de vitesse. Les servomoteurs sont utilisés dans des applications telles que les machines-outils, les traceurs à stylet et autres systèmes de traitement.Les moteurs destinés à être utilisés dans un servomécanisme doivent avoir des caractéristiques bien documentées en termes de vitesse, de couple et de puissance. La courbe vitesse / couple est très importante et représente un rapport élevé pour un servomoteur. Les caractéristiques de réponse dynamique telles que l’inductance de l’enroulement et l’inertie du rotor sont également importantes;ces facteurs limitent les performances globales de la boucle de servomécanisme. Les boucles d’asservissement volumineuses, puissantes mais à réponse lente peuvent utiliser des moteurs conventionnels à courant alternatif ou continu et des systèmes d’entraînement avec rétroaction de la position ou de la vitesse sur le moteur. À mesure que les exigences de réponse dynamique augmentent, des conceptions de moteur plus spécialisées telles que les moteurs sans noyau sont utilisées. Les caractéristiques de densité de puissance et d’accélération supérieures des moteurs à courant alternatif par rapport à celles des moteurs à courant continu ont tendance à favoriser les applications de commande synchrone à aimant permanent, BLDC, à induction et SRM.

Un système asservi diffère de certaines applications de moteur pas à pas en ce que le retour de position est continu pendant que le moteur tourne. Un système pas à pas fonctionne de manière inhérente en boucle ouverte – en s’appuyant sur le moteur pour ne pas “rater des pas” pour une précision à court terme – avec tout retour tel qu’un commutateur “maison” ou un codeur de position extérieur au système moteur. Par exemple, lors du démarrage d’une imprimante matricielle classique, son contrôleur amène le moteur pas à pas de la tête d’impression à sa limite gauche, où un capteur de position définit la position initiale et arrête la progression. Tant que l’imprimante est sous tension, un compteur bidirectionnel dans le microprocesseur de l’imprimante enregistre la position de la tête d’impression.

Moteur pas à pas
Les moteurs pas à pas sont un type de moteur fréquemment utilisé lorsque des rotations précises sont requises. Dans un moteur pas à pas, un rotor interne contenant des aimants permanents ou un rotor magnétiquement doux à pôles saillants est contrôlé par un ensemble d’aimants externes à commutation électronique. Un moteur pas à pas peut également être considéré comme un croisement entre un moteur électrique à courant continu et un solénoïde rotatif. Chaque bobine étant alimentée à son tour, le rotor s’aligne sur le champ magnétique produit par l’enroulement de champ alimenté. Contrairement à un moteur synchrone, le moteur pas à pas ne peut pas tourner de manière continue dans son application; au lieu de cela, il «progresse» – commence puis s’arrête rapidement de nouveau – d’une position à l’autre lorsque les enroulements de champ sont activés et désactivés en séquence. Selon la séquence, le rotor peut tourner en avant ou en arrière et il peut changer de direction, s’arrêter, accélérer ou ralentir de façon arbitraire à tout moment.المحرك الكهربائي عبارة عن محول كهربائي (آلة كهربائية) يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. في المحركات الكهربائية التقليدية توليد حقول موصل يحمل التيار الكهربائي المجالات المغناطيسية التي تنفذ جاذبية المتبادلة وقوى الطرد في الحركة. وبالتالي ، فإن المحرك الكهربائي هو نظير للمولد المشيد جداً الذي يحول طاقة المحرك إلى طاقة كهربائية. عادةً ما تولد المحركات الكهربائية حركات دوارة ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا في الحركات الانتقالية التي تم بناؤها (مشغِّل خطي). تستخدم المحركات الكهربائية لتشغيل العديد من المعدات والآلات والمركبات.

مبدأ التشغيل
المحركات الكهربائية هي الأجهزة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. وسائل هذا التحول للطاقة في المحركات الكهربائية هي المجال المغناطيسي. هناك أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية وكل نوع له مكونات مختلفة يحدد هيكله تفاعل التدفقات الكهربائية والمغناطيسية التي تسبب القوة أو عزم الدوران للمحرك.

المبدأ الأساسي هو أن يصف كيف أن سبب القوة هو التفاعل بين الشحنة الكهربائية في النقطة الكهربائية والمجالات المغناطيسية هو قانون لورنتز:

أين:
q: الشحنة الكهربائية المنضبطة
E: المجال الكهربائي
v: سرعة الجسيم
B: كثافة المجال المغناطيسي

في حالة المجال الكهربائي البحت ، يتم تقليل تعبير المعادلة إلى:

لا يتم تحديد القوة في هذه الحالة إلا من خلال الشحنة q والمجال الكهربائي E. وهي قوة Coulomb التي تعمل على طول الموصل الناشئ عن التدفق الكهربائي ، على سبيل المثال في ملفات الجزء الثابت للآلات الحثية أو في الدوار المحركات DC.

في حالة المجال المغناطيسي البحت:

يتم تحديد القوة بواسطة الشحنة ، كثافة المجال المغناطيسي B وسرعة الحمل v. هذه القوة متعامدة مع المجال المغناطيسي واتجاه سرعة الحمل.عادة ما يكون هناك العديد من الأحمال في الحركة ، لذلك من السهل إعادة كتابة التعبير من حيث كثافة الشحن Fv (القوة لكل وحدة حجم):

لهذا المنتج  تعرف باسم الكثافة الحالية J (أمبير لكل متر مربع):

ثم يصف التعبير الناتج القوة الناتجة عن تفاعل التيار مع المجال المغناطيسي:

هذا هو المبدأ الأساسي الذي يشرح كيف تنشأ القوى في الأنظمة الكهروميكانيكية مثل المحركات الكهربائية. ومع ذلك ، فإن الوصف الكامل لكل نوع من المحركات الكهربائية يعتمد على مكوناته وبناءه.

محرك خطي
المحرك الخطي هو في الأساس أي محرك كهربائي “غير مُسْتَخْدَف” بحيث ، بدلاً من إنتاج عزم دوران (دوران) ، فإنه ينتج قوة خط مستقيم على طوله.

المحركات الخطية هي محركات تحريضية أو محركات السائر. توجد المحركات الخطية بشكل شائع في العديد من السواحل ، حيث يتم التحكم في الحركة السريعة للسكك الحديدية بدون محرك بواسطة السكك الحديدية. وهي تستخدم أيضا في القطارات المغناطيسية ، حيث “القطار” يطير على الأرض. على نطاق أصغر ، استخدم راسمة القلم HP 7225A عصر 1978 محركين خطيرين للسير لتحريك القلم على طول محاور X و Y.

الكهرومغناطيسية

القوة وعزم الدوران
الغرض الأساسي للغالبية العظمى من المحركات الكهربائية في العالم هو تحفيز الحركة النسبية الكهرومغناطيسية في فجوة هوائية بين الجزء الثابت والدوار لإنتاج عزم دوران مفيد أو قوة خطية.

وفقا لقانون قوة لورنتس ، يمكن إعطاء قوة الموصل المتعرج ببساطة عن طريق:

أو بشكل عام ، للتعامل مع الموصلات بأي هندسة:

النهج الأكثر شيوعا لحساب القوى في المحركات تستخدم tensors.

قوة
وحيث تكون سرعة دوران المحرك في الدقيقة (Rpm) هي سرعة المحور (T) وعزم الدوران (T) ، يتم الحصول على خرج الطاقة الميكانيكي للمحرك (Pem) بواسطة ،

في الوحدات البريطانية مع T التي تعبر عنها سيرا على الأقدام ،
 (حصان) ، و

في وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) التي لها سرعة زاوية رمح معبراً عنها بالراديان في الثانية ، وتعبر T في نيوتن-متر ،
 (واط).

بالنسبة للمحرك الخطي ، مع التعبير عن القوة F في نيوتن والسرعة v معبراً عنها بالأمتار في الثانية ،

 (واط).

في المحركات غير المتزامنة أو الحثية ، تكون العلاقة بين سرعة المحرك وقوة الفجوة الهوائية هي إهمال تأثير الجلد ، ويعطى بالآتي:
 ، أين

المقاومة Rr – الدوار
أنا ص 2 – مربع من التيار الذي يحدث في الدوار
ق – زلة المحرك ؛ أي الفرق بين السرعة المتزامنة وسرعة الانزلاق ، والتي توفر الحركة النسبية اللازمة للتحريض الحالي في الدوار.

عودة emf
نظرًا لأن لفات المحرك في المحرك المباشر الحالي أو العالمي تتحرك في مجال مغناطيسي ، فلديها جهد كهربائي يحدث فيها. هذا الجهد يميل لمعارضة الجهد الكهربائي للموتور و هكذا يسمى “القوة الدافعة الخلفية (emf)”. الجهد يتناسب مع سرعة تشغيل المحرك. يجب أن يساوي الذراع الخلفي للمحرك ، بالإضافة إلى انخفاض الجهد عبر المقاومة والفرش الداخلية المتعرجة ، الجهد عند الفرش. هذا يوفر الآلية الأساسية لتنظيم السرعة في محرك DC. إذا زاد الحمل الميكانيكي ، فإن المحرك يبطئ ؛ انخفاض نتائج emf الظهر ، ويتم رسمها أكثر الحالي من العرض. يوفر هذا التيار الزائد عزمًا إضافيًا لموازنة الحمل الجديد.
في أجهزة التكييف ، يكون من المفيد أحيانًا اعتبار مصدر emf خلفي داخل الجهاز ؛ كمثال ، هذا هو مصدر قلق خاص للتنظيم سرعة قريبة من المحركات الحثية على VFDs.

خسائر
تعزى الخسائر في المحركات بشكل رئيسي إلى الخسائر المقاومة في اللفات ، والخسائر الأساسية والخسائر الميكانيكية في المحامل ، والخسائر الأيروديناميكية ، خاصةً في أماكن وجود مراوح التبريد ، تحدث أيضًا.

تحدث الخسائر أيضا في تخفيف ، شرارة commutators الميكانيكية ، والمبدلات الإلكترونية وأيضا تبديد الحرارة.

نجاعة
لحساب كفاءة المحرك ، يتم تقسيم طاقة الخرج الميكانيكي بواسطة طاقة الإدخال الكهربائية:
 ،

أين  هي كفاءة تحويل الطاقة ،  هو مدخلات الطاقة الكهربائية ، و  هو انتاج الطاقة الميكانيكية:

أين  هو جهد الدخل ،  هو مدخلات الحالي ، T هو عزم الدوران الناتج ، و  هو سرعة الزاوي الناتج. من الممكن أن تستمد من الناحية التحليلية نقطة أقصى قدر من الكفاءة. عادة ما يكون أقل من نصف عزم الدوران.

قامت سلطات تنظيمية مختلفة في العديد من البلدان بإدخال وتنفيذ تشريعات لتشجيع صناعة المحركات الكهربائية ذات الكفاءة الأعلى واستخدامها.

عامل الخير
اقترح إريك ليثويتي مقياسًا لتحديد “صلاح” محرك كهربائي: 

أين:
 هو عامل الخير (من المرجح أن تكون العوامل المذكورة أعلاه فعالة)
 هي المناطق المقطعية للدوائر المغناطيسية والكهربائية
 هي أطوال الدوائر المغناطيسية والكهربائية
 هي نفاذية النواة
 هو التردد الزاوي الذي يتم تشغيل المحرك فيه

من هذا ، أظهر أن المحركات الأكثر كفاءة من المحتمل أن يكون لها أقطاب مغناطيسية كبيرة نسبيا. ومع ذلك ، فإن المعادلة ترتبط بشكل مباشر فقط بمحركات غير PM.

معايير الأداء

القدرة عزم الدوران من أنواع السيارات
جميع المحركات الكهرومغناطيسية ، والتي تشمل الأنواع المذكورة هنا تستمد عزم الدوران من منتج ناقلات المجالات المتفاعلة. ولحساب عزم الدوران ، من الضروري معرفة الحقول الموجودة في الفجوة الهوائية. وبمجرد أن يتم تحديدها عن طريق التحليل الرياضي باستخدام FEA أو أدوات أخرى ، يمكن حساب عزم الدوران على أنه جزء لا يتجزأ من جميع متجهات القوة مضروبة في نصف قطر كل ناقل. التيار المتدفق في اللف هو إنتاج الحقول وللمحرك الذي يستخدم مادة مغناطيسية ، فإن المجال لا يتناسب طرديا مع التيار. وهذا يجعل الحساب صعبًا ولكن الكمبيوتر يمكنه القيام بالعديد من الحسابات اللازمة.

وبمجرد الانتهاء من ذلك ، يمكن استخدام الشكل المتعلق بالتيار إلى عزم الدوران كمعلمة مفيدة لاختيار المحرك. ويعتمد الحد الأقصى لعزم الدوران للمحرك على الحد الأقصى للتيار الحالي ، على الرغم من أن هذا سيكون عادة قابلاً للاستخدام فقط إلى أن تأخذ الأسبقية الاعتبارات الحرارية.

عندما يتم تصميمه على النحو الأمثل داخل قيد تشبع أساسي معين ولتيار نشط معين (مثل تيار عزم الدوران) ، والجهد ، وزوج الزوج ، وتردد الإثارة (أي السرعة المتزامنة) ، وكثافة تدفق الهواء الفجائي ، وجميع فئات المحركات الكهربائية أو سوف تظهر المولدات تقريبًا نفس عزم الدوران الأقصى الدائم (أي عزم دوران التشغيل) داخل منطقة فجوة هوائية معينة مع فتحات متعرجة وعمق خلفي للحديد ، والذي يحدد الحجم المادي للنواة الكهرومغناطيسية. تتطلب بعض التطبيقات رشقات نارية من عزم الدوران تتجاوز عزم الدوران التشغيلي الأقصى ، مثل رشقات قصيرة من عزم الدوران لتسريع السيارة الكهربائية من السكون. دائمًا بسبب تشبع النواة المغنطيسية أو ارتفاع درجة حرارة التشغيل الآمنة والجهد ، فإن القدرة على رشقات عزم الدوران التي تتجاوز عزم الدوران الأقصى للوظيفة تختلف اختلافًا كبيرًا بين فئات المحركات أو المولدات الكهربائية.

لا ينبغي الخلط بين القدرة على رشقات نارية من عزم الدوران والقدرة على إضعاف المجال. يسمح الضعف الميداني للماكينة الكهربائية بالعمل إلى ما بعد تردد الإثارة المصمم. يتم إجراء ضعف المجال عندما لا يمكن الوصول إلى السرعة القصوى عن طريق زيادة الجهد المطبق. وهذا ينطبق على المحركات ذات المجالات الحالية التي يتم التحكم فيها وبالتالي لا يمكن تحقيقها بمحركات مغناطيسية دائمة.

لا يمكن للآلات الكهربائية التي لا تحتوي على طوبولوجيا دوائر المحولات ، مثل تلك الخاصة بـ WRSMs أو PMSM ، أن تحقق رشقات عزم الدوران أعلى من عزم الدوران الأقصى المصمم دون تشبع النواة المغناطيسية وتجعل أي زيادة في التيار عديمة الفائدة. علاوة على ذلك ، يمكن أن تتعطل مجموعة المغناطيس الدائم لـ PMSM بشكل لا يمكن إصلاحه ، إذا تمت محاولة رشقات من عزم الدوران تتجاوز الحد الأقصى لتصنيف عزم التشغيل.

الآلات الكهربائية مع طوبولوجيا دوائر المحول ، مثل آلات الحث ، آلات الحث الكهربائي المزدوج التغذية ، الحث أو متزامن الجرح الدوار المزدوج (WRDF) آلات ، تحمل رشقات عزم عالية جدا لأن التيار النشط الناجم عن emf إما على جانب من المحولات يعارض بعضها البعض ، وبالتالي لا تسهم شيئا في كثافة تدفق الأساسية المغناطيسي المحولات ، والتي تؤدي إلى تشبع الأساسية.

إن الآلات الكهربائية التي تعتمد على الحث أو المبادئ غير المتزامنة تقصر دائرة واحدة من دارة المحولات ، ونتيجة لذلك ، تصبح المعاوقة التفاعلية لدائرة المحول هي المهيمنة مع زيادة الانزلاق ، مما يحد من حجم التيار النشط (أي الحقيقي). ومع ذلك ، يمكن تحقيق رشقات نارية من عزم الدوران تزيد مرتين أو ثلاثة أضعاف عن عزم التصميم الأقصى.

إن آلة تغذية الجرح المتزامن بدون فرشاة (BWRSDF) هي الجهاز الكهربائي الوحيد الذي له طوبولوجيا حوالة محولة مزدوجة (أي أن كلا المنفذين متحمسان بشكل مستقل مع عدم وجود منفذ قصير الدائرة). ومن المعروف أن طبولوجيا دائرة المحولات المزدوجة غير مستقرة وتحتاج إلى مجموعة من حلقات الانزلاق الدائري متعددة الطوائف لنشر قدرة محدودة على مجموعة لف الدوار. إذا كانت وسيلة الدقة متاحة للتحكم الفوري في زاوية العزم والانزلاق للعملية المتزامنة أثناء التشغيل أو التوليد مع توفير طاقة بدون فرش في وقت واحد لمجموعة اللف الدوار ، فإن التيار النشط لآلة BWRSDF سيكون مستقلاً عن المعاوقة التفاعلية لدائرة المحول و سيكون من الممكن تحقيق رشقات نارية من عزم الدوران أعلى بكثير من عزم التشغيل الأقصى وما هو أبعد من القدرة العملية لأي نوع آخر من الآلات الكهربائية. وقد تم حساب رشقات عزم الدوران أكثر من ثماني مرات من عزم تشغيل التشغيل.

كثافة عزم الدوران المستمر
يتم تحديد كثافة عزم الدوران المستمر للآلات الكهربائية التقليدية من خلال حجم منطقة الفجوة الهوائية وعمق الحديد الخلفي ، والتي يتم تحديدها من خلال تصنيف القدرة لمجموعة لفائف المحرك ، وسرعة الماكينة ، والهواء القابل للتحقيق. كثافة تدفق الفجوة قبل التشبع الأساسية. على الرغم من الكبر الشديد من مغناطيسات النيوديميوم أو السماريوم-كوبالت الدائمة ، فإن كثافة عزم الدوران المستمرة هي نفسها تقريباً بين الآلات الكهربائية مع مجموعات لفائف حديدية مصممة بشكل مثالي. ترتبط كثافة عزم الدوران المستمر بطريقة التبريد وفترة التشغيل المسموح بها قبل التدمير بسبب ارتفاع درجة حرارة اللفات أو تلف المغناطيس الدائم.

وتذكر مصادر أخرى أن طبولوجيا الآلة الإلكترونية المختلفة لها كثافة عزم دوران مختلفة. يوضح أحد المصادر ما يلي:

نوع الآلة الكهربائية كثافة عزم محددة (Nm / kg)
SPM – AC بدون فرشات ، توصيل تيار بزاوية 180 درجة 1.0
SPM – AC فرش ، و 120 درجة التوصيل الحالي ،9-1،15
التراسل الفوري ، آلة غير متزامن 0،7-1،0
IPM ، آلة المغناطيس الدائم الداخلية 0،6-0،8
VRM ، آلة التردد البارزة مضاعفة 0،7-1،0

حيث – يتم ضبط كثافة عزم الدوران المحددة إلى 1.0 لـ SPM – ac brushless ، التوصيل الحالي 180 ° ، SPM هي آلة Magnet دائمة السطح.

تزيد كثافة عزم الدوران تقريبًا أربع مرات عن المحركات الكهربائية التي يتم تبريدها سائلًا ، مقارنةً بتلك التي يتم تبريدها بالهواء.

أظهر مصدر مقارن بين التيار المباشر (DC) والمحركات الحثية (IM) والمحركات المتزامنة الدائمة المغناطيس (PMSM) ومحركات التردد المحولة (SRM):

صفة مميزة العاصمة IM PMSM SRM
كثافة عزم الدوران 3 3.5 5 4
كثافة الطاقة 3 4 5 3.5

ويلاحظ مصدر آخر أن آلات متزامنة دائمة المغناطيس تصل إلى 1 ميجاوات لديها كثافة عزم دوران أعلى بكثير من آلات الحث.

كثافة القدرة المستمرة
يتم تحديد كثافة القدرة المستمرة من خلال ناتج كثافة عزم الدوران المستمر ونطاق سرعة عزم الدوران الثابت للجهاز الكهربائي.

محركات مغناطيسية خاصة

دوار

محرك دوار بدون حديد أو بدون مستقبل
لا شيء في مبدأ أي من المحركات المذكورة أعلاه يتطلب أن تدور أجزاء الحديد (الفولاذ) من الدوار في الواقع. إذا كانت المادة المغناطيسية اللينة للدوار مصنوعة على شكل أسطوانة ، فعندئذ (ماعدا تأثير التباطؤ) يتم تشغيل عزم الدوران فقط على ملفات المغنطيس الكهربائي.الاستفادة من هذه الحقيقة هو محرك DC بدون تقويم أو بدون حديد ، وهو شكل متخصص لمحرك DC مغناطيسي دائم. محسّنة للتسارع السريع ، هذه المحركات لها دوّار يُبنى بدون أي نواة حديدية. يمكن أن يتخذ الدوار شكل أسطوانة مملوءة باللف أو بنية ذاتية الدعم تشتمل فقط على سلك المغناطيس ومواد الربط. يمكن أن يتناسب الدوار داخل المغناطيس الثابت. توفر أسطوانة ثابتة ناعمة مغناطيسية داخل الدوار مسارًا للعودة للدفق المغناطيسي الثابت. الترتيب الثاني يحتوي على سلة لف دوار تحيط بالمغناطيس الثابت. في هذا التصميم ، يتناسب الدوار داخل أسطوانة لينة مغناطيسية يمكن أن تكون بمثابة إسكان للمحرك ، وبالمثل يوفر مسارًا للعودة للدفق.

ولما كان الدوار أقل وزنا بكثير (كتلة) من الدوار التقليدي المكون من اللفات النحاسية على رقائق الصلب ، يمكن للدوار أن يتسارع بسرعة أكبر ، وغالبا ما يحقق ثابت زمن ميكانيكي تحت ms واحد. هذا صحيح بشكل خاص إذا كانت اللفات تستخدم الألومنيوم بدلا من النحاس الثقيل.ولكن نظرًا لعدم وجود كتلة معدنية في الدوار تعمل كمصدر للحرارة ، فإنه حتى المحركات الصغيرة التي لا تتسبب في توترها يجب أن يتم تبريدها عن طريق الهواء القسري. قد يكون ارتفاع درجة الحرارة مشكلة لتصميمات المحركات DC coreless. يمكن للبرامج الحديثة ، مثل Motor-CAD ، أن تساعد على زيادة الكفاءة الحرارية للمحركات في حين لا تزال في مرحلة التصميم.

من بين هذه الأنواع هي أنواع القرص الدوار ، الموصوفة بمزيد من التفاصيل في القسم التالي.

في بعض الأحيان يتم إنشاء التنبيه الاهتزازي للهواتف الخلوية من خلال أنواع الحقل المغناطيسية الدائمة الأسطوانية الصغيرة ، ولكن هناك أيضًا أنواع على شكل قرص يحتوي على مغناطيس حيوي رقيق متعدد الأقطاب ، وبنية دوارة من البلاستيك المقولب غير المتوازنة بشكل متعمد مع ملفين دائمين مستقيمين. فرش معدنية ومفتاح تبديل عاكس لللفائف الدوارة.

لا يوجد في المحركات ذات السفر المحدود أي نواة وملف مستعبدين بين قطبي مغناطيس دائم رفيع عالي التدفق. هذه هي الأوضاع السريعة لرؤساء لمحركات الأقراص الصلبة (“القرص الصلب”). على الرغم من أن التصميم المعاصر يختلف إلى حد كبير عن تصميم مكبرات الصوت ، إلا أنه لا يزال يتم الإشارة إليه بشكل غير صحيح (وغير صحيح) على أنه بنية “ملف صوتي” ، لأن بعض رؤوس محركات الأقراص الصلبة السابقة تتحرك في خطوط مستقيمة ، ولها هيكل محرك يشبه إلى حد كبير ذلك من مكبر الصوت.

فطيرة أو محوري الدوار المحرك
يمتلك المحرك المطبوع أو محرك الفطائر الملفّات على شكل قرص يعمل بين صفائف مغناطيس عالي التدفق. يتم ترتيب المغناطيس في دائرة مواجهة الدوار مع مسافة بينهما لتشكل فجوة هوائية محورية. يُعرف هذا التصميم باسم محرك الفطائر بسبب شكله المسطح. التكنولوجيا لديها العديد من الأسماء التجارية منذ إنشائها ، مثل ServoDisc.

يتكون المحرك المطبوع (الذي تم تشكيله أصلاً على لوحة دائرة مطبوعة) في محرك ذي محرك مطبوع من صفائح نحاسية مثقبة يتم لصقها معاً باستخدام مركبات متطورة لتشكيل قرص صلب جامد. يتميز المحرك المطبوع ببناء فريد من نوعه في عالم المحركات المصقول ، حيث أنه لا يحتوي على عاكس منفصل للحلقة. تعمل الفرش مباشرة على سطح الحجرة مما يجعل التصميم الكامل مدمج للغاية.

طريقة تصنيع بديلة هي استخدام الأسلاك النحاسية الجرحية المسطحة مع مبدل مركزي تقليدي ، على شكل زهرة وبتلة. يتم تثبيت اللفات عادة مع أنظمة بوتاجاز الإيبوكسي الكهربائي. هذه هي الايبوكسيات المملوءة ذات اللزوجة المعتدلة والمختلطة ووقت الجل الطويل. يتم تسليط الضوء عليها من خلال الانكماش المنخفض والحرارة المنخفضة ، وعادة ما يتم التعرف على UL 1446 كمركب بوتينغ معزول بـ 180 درجة مئوية ، تصنيف الصنف H.

إن الميزة الفريدة لموتورات DC غير الحديدية هي غياب التلاعب (عزم الدوران الناتج عن تغيير الجذب بين الحديد والمغناطيس). لا يمكن أن تشكل تيارات الدوامة الطفيلية في الدوار لأنها خالية من الحديد تمامًا ، على الرغم من أن دوارات الحديد مغلفة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير ، ولكن يجب على وحدات التحكم ذات السرعة المتغيرة استخدام معدل تحويل أعلى (& gt؛ 40 كيلوهرتز) أو تيار مستمر نظرًا لانخفاض الحث الكهرومغناطيسي.

تم اختراع هذه المحركات في الأصل لقيادة كابستان (ق) من محركات الشريط المغناطيسي ، حيث كان الحد الأدنى من الوقت للوصول إلى سرعة التشغيل والحد الأدنى من مسافة التوقف حاسمة. تستخدم محركات Pancake على نطاق واسع في الأنظمة عالية الأداء التي تتحكم فيها الماكينة والأنظمة الآلية والأتمتة الصناعية والأجهزة الطبية. نظرًا لتنوع الإنشاءات المتوفرة حاليًا ، يتم استخدام هذه التقنية في التطبيقات من مضخات ذات درجة حرارة عالية إلى عسكرية منخفضة التكلفة ومكونات أساسية.

أسلوب آخر (Magnax) هو استخدام الجزء الثابت الوحيد المحصور بين دورين. وقد أنتج أحد هذه التصاميم قوة ذروة قدرها 15 كيلو وات / كغم ، واستطاعت الطاقة حوالي 7.5 كيلووات / كيلوغرام. يوفر محرك التدفق المحوري yokeless هذا مسارًا قصيرًا للدفق ، مع الحفاظ على المغناطيس أكثر من المحور. تصميم يسمح لديه متعرجا الصفر متعرجا. 100 في المئة من اللفات هي نشطة. يتم تحسين هذا باستخدام الأسلاك النحاسية ذات المقاطع المستطيلة. يمكن تكديس المحركات للعمل بالتوازي. يتم التقليل من الثبات عن طريق التأكد من أن القرصين الدوارين يضعان قوى متساوية ومتناقضة على القرص الثابت. ترتبط الدوارات مباشرة ببعضها البعض عن طريق حلقة محور ، مما يلغي القوى المغناطيسية.

تتراوح أحجام محركات Magnax من 15 إلى 5.5 متر (5.9 إلى 17 قدمًا 8.6 بوصة).

أجهزة السيارات
المحرك المؤازر هو محرك ، يتم بيعه في الغالب كوحدة متكاملة ، والتي يتم استخدامها في نظام التحكم في التحكم في الموقع أو التحكم في السرعة. يتم استخدام أجهزة المحرك في تطبيقات مثل الأدوات الآلية ، وأجهزة رسم القلم ، وأنظمة العمليات الأخرى. يجب أن تكون المحركات المعدة للاستخدام في سيروم ميكانيكي لديها خصائص موثقة جيدًا للسرعة وعزم الدوران والطاقة. إن منحنى السرعة مقابل عزم الدوران مهم جدا وهو نسبة عالية لمحرك سيرفو. خصائص الاستجابة الديناميكية مثل الحث المتعرج والجمود الدوار هي أيضا مهمة ؛ هذه العوامل تحد من الأداء الكلي لحلقة servomechanism. قد تستخدم حلقات مؤازرة كبيرة وقوية ولكنها بطيئة الاستجابة محركات التيار المتناوب أو DC التقليدية وأنظمة القيادة ذات الوضعية أو سرعة التغذية المرتدة على المحرك. مع زيادة متطلبات الاستجابة الديناميكية ، يتم استخدام تصميمات محركات أكثر تخصصًا مثل المحركات التي لا تستخدم محركات. تميل كثافة طاقة وخصائص التسارع المتفوقة لمحركات التيار المتردد مقارنةً بمحركات DC إلى تفضيل تطبيقات متزامنة لمغناطيس دائم ، وتطبيقات BLDC ، وتحريض ، ومحركات أقراص SRM.

يختلف نظام المؤازرة عن بعض تطبيقات المحركات السائر في أن ملاحظات الموقف مستمرة أثناء تشغيل المحرك. يقوم نظام السائر بطبيعته بتشغيل حلقة مفتوحة – بالاعتماد على المحرك وليس “خطوات تفويت” للدقة على المدى القصير – مع أي ملاحظات مثل مفتاح “المنزل” أو تشفير الموضع الخارجي للنظام الحركي. على سبيل المثال ، عند بدء تشغيل طابعة كمبيوتر نمطية مصفوفة نقطية ، يجعل جهاز التحكم محرك محرك السائر رأس الطباعة إلى حده الأيسر ، حيث يحدد مستشعر الموضع موضع المنزل ويتوقف عن العمل. طالما أن الطاقة قيد التشغيل ، يقوم عداد ثنائي الاتجاه في المعالجات الدقيقة للطابعة بتتبع موضع رأس الطباعة.

السائر المحركات
محركات السائر هي نوع من المحركات المستخدمة بكثرة عند الحاجة إلى تناوب دقيق. في المحرك السائر يتم التحكم في الدوار الداخلي الذي يحتوي على مغناطيس دائم أو دوار ناعم مغناطيسي مع أقطاب بارزة بواسطة مجموعة من المغانط الخارجية التي يتم تبديلها إلكترونياً. كما يمكن اعتبار محرك السائر بمثابة تقاطع بين محرك كهربائي DC وملف لولبي دوار. بما أن كل ملف يتم تنشيطه بدوره ، فإن العضو الدوار يحاذي نفسه مع المجال المغناطيسي الناتج عن لفائف الحقل المنشطة. على عكس محرك متزامن ، في تطبيقه ، قد لا يتدوير محرك السائر بشكل مستمر ؛ بدلاً من ذلك ، فإنه “خطوات” – بدء التشغيل ثم يتوقف بسرعة مرة أخرى – من موضع إلى آخر حيث يتم تنشيط اللفافات الميدانية وإلغاء تنشيطها بالتسلسل. بالاعتماد على التسلسل ، قد يتحول الدوار إلى الأمام أو الخلف ، وقد يؤدي إلى تغيير الاتجاه أو التوقف أو الإسراع أو الإبطاء بشكل تعسفي في أي وقت.

يقوم سائقي محرك السائر البسيطون بتثبيته أو إبعاده بالكامل عن ريش الحقل ، مما يؤدي إلى “الدوار” إلى عدد محدود من المواضع ؛ يمكن للسائقين الأكثر تطوراً التحكم بالتناسب في القدرة على لفات المجال ، مما يسمح للدوارات بوضعها بين نقاط الترس ، وبالتالي تدويرها بسلاسة فائقة. وغالبا ما يطلق على طريقة التشغيل هذه اسم microstepping. تعد محركات السائر التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر واحدة من أكثر أشكال أنظمة تحديد المواقع تنوعا ، وخاصة عندما تكون جزءًا من نظام رقمي متحكم فيه.

يمكن تدوير محركات السائر إلى زاوية محددة في خطوات منفصلة بسهولة ، ومن ثم يتم استخدام محركات السائر لتحديد موقع الرأس / الكتابة في محركات الأقراص المرنة للكمبيوتر. تم استخدامها لنفس الغرض في محركات أقراص الكمبيوتر في عصر ما قبل غيغا بايت ، حيث كانت الدقة والسرعة التي توفرانها ملائمة للموضع الصحيح لرأس قراءة / كتابة محرك الأقراص الثابتة. ومع ازدياد كثافة محرك الأقراص ، فإن محدودية الدقة والسرعة لمحركات السائر جعلتها غير صالحة للاستخدام في محركات الأقراص الصلبة ، حيث جعلها محدودية الدقة غير قابلة للاستخدام ، وجعلتها محدودية السرعة غير قادرة على المنافسة ، وبالتالي فإن محركات الأقراص الصلبة الحديثة تستخدم أنظمة تشغيل الرأس التي تعتمد على الملف الصوتي. (المصطلح “ملف صوتي” في هذا الصدد هو تاريخي ؛ فهو يشير إلى البنية في مكبر صوت نموذجي (مخروطي الشكل). وقد تم استخدام هذا الهيكل لفترة من الوقت لوضع الرؤوس ، حيث تحتوي الأقراص الحديثة على حامل ملف محوري ؛ ويتأرجح الملف. ذهابا وإيابا ، شيء مثل شفرة من مروحة الدورية ، ومع ذلك ، مثل ملف صوت ، تتحرك الموصلات الملفائف الحديثة (سلك المغناطيس) عموديا على خطوط القوة المغناطيسية.)

كانت محركات السائر لا تزال تستخدم في كثير من الأحيان في طابعات الكمبيوتر ، والماسحات الضوئية ، وآلات النسخ الرقمية لتحريك عنصر المسح البصري ، وعربة رأس الطباعة (من طابعات نقطية وطابعات نفث الحبر) ، وبكرات الأسطوانة أو التلقيم. وبالمثل ، استخدم العديد من متآمري الكمبيوتر (التي استبدلت منذ أوائل التسعينيات بطابعات ضخ الحبر الكبيرة وطابعات الليزر) محركات السائر الدوارة للحركة القلمية والسطحية ؛ وكانت البدائل النموذجية هنا إما محركات السائر الخطية أو أجهزة المحرك ذات أنظمة التحكم التناظرية ذات الحلقة المغلقة.

تحتوي ما يسمى ساعات يد كوارتز التناظرية على أصغر المحركات المخططة الشائعة ؛ لديهم ملف واحد ، يستخرج قوة قليلة جدا ، ولديهم مغناطيس دوار دائم. نفس النوع من المحركات يقود ساعات الكوارتز التي تعمل بالبطارية. بعض هذه الساعات ، مثل الكرونوغراف ، تحتوي على أكثر من محرك خطوة.

ترتبط بشكل وثيق في التصميم لمحركات متزامنة ثلاثية الطور AC ، يتم تصنيف محركات السائر و SRM على أنها نوع متحرك متغير التردد. محركات السائر كانت ولا تزال تستخدم في كثير من الأحيان في طابعات الكمبيوتر ، والماسحات الضوئية ، وأجهزة التحكم الرقمية بالكمبيوتر (CNC) مثل أجهزة التوجيه ، قواطع البلازما والمخارط CNC.

المحركات غير المغناطيسية
يعتمد المحرك الكهروستاتيكي على جذب الشحنة الكهربائية وتنافرها. عادة ، تكون المحركات الكهروستاتيكية هي المحرك المزدوج لمحركات القوائم التقليدية. وهي تتطلب عادةً مصدر طاقة عالي الجهد ، على الرغم من أن المحركات الصغيرة جدًا تستخدم الفولتية المنخفضة. تستخدم المحركات الكهربائية التقليدية بدلا من ذلك الجذب المغناطيسي والتنافر ، وتتطلب تيارًا مرتفعًا في الفولتية المنخفضة. في 1750s ، تم تطوير أول المحركات الكهروستاتيكية من قبل بنجامين فرانكلين وأندرو غوردون. واليوم ، يجد المحرك الكهروستاتيكي استخدامًا متكررًا في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) حيث تقل الفولتية عن 100 فولت ، وحيث تكون اللوحات المتحركة ، تكون الشحنات أسهل بكثير من تصنيعها من لفائف وحديد الحديد. أيضا ، فإن الآلية الجزيئية التي تدير الخلايا الحية غالباً ما تعتمد على المحركات الكهروستاتيكية الخطية والدوارية.

محرك كهرضغطية أو محرك بيزو هو نوع من المحركات الكهربائية يعتمد على التغيير في شكل المواد الكهرضغطية عند تطبيق الحقل الكهربائي. تستعمل المحركات الكهروإجهادية تأثير كهرضغطية معكوس حيث تنتج المواد اهتزازات صوتية أو فوق صوتية لإنتاج حركة خطية أو دوارة. في آلية واحدة ، يتم استخدام الاستطالة في مستوى واحد لجعل سلسلة تمتد وحجز المواقع ، على غرار الطريقة التي تتحرك بها كاتربيلر.

يستخدم نظام دفع المركبات الفضائية بالطاقة الكهربائية تكنولوجيا المحركات الكهربائية لدفع المركبات الفضائية في الفضاء الخارجي ، ومعظم الأنظمة تعتمد على دفع الوقود كهربائيا إلى سرعة عالية ، مع بعض النظم التي تعتمد على مبادئ الحبال electrodynamic من الدفع إلى الغلاف المغناطيسي.

De simples pilotes de moteur pas à pas activent entièrement ou désexcitent complètement les enroulements de champ, amenant le rotor à “cogner” vers un nombre limité de positions; des pilotes plus sophistiqués peuvent contrôler proportionnellement la puissance des enroulements de champ, permettant ainsi aux rotors de se positionner entre les points de la dent et de tourner ainsi de manière extrêmement fluide. Ce mode de fonctionnement est souvent appelé micropas. Les moteurs pas à pas commandés par ordinateur font partie des systèmes de positionnement les plus polyvalents, en particulier lorsqu’ils font partie d’un système asservi numérique.

Les moteurs pas à pas peuvent être tournés avec un angle spécifique par étapes discrètes avec facilité, c’est pourquoi les moteurs pas à pas sont utilisés pour le positionnement de la tête de lecture / écriture dans les lecteurs de disquettes d’ordinateur. Ils étaient utilisés dans le même but dans les lecteurs de disque d’ordinateur d’avant l’ère du gigaoctet, où la précision et la rapidité qu’ils offraient étaient suffisantes pour positionner correctement la tête de lecture / écriture d’un lecteur de disque dur. Au fur et à mesure que la densité de lecteur augmentait, les limitations de précision et de vitesse des moteurs pas à pas les rendaient obsolètes pour les disques durs – la limitation de précision les rendait inutilisables, et la limitation de vitesse les rendait non compétitifs – les nouveaux disques durs utilisent donc des systèmes d’actionneurs de tête à bobine mobile. (Le terme “bobine acoustique” à cet égard est historique; il fait référence à la structure d’un haut-parleur typique (à cône). Cette structure a été utilisée pendant un certain temps pour positionner les têtes. Les entraînements modernes ont un support de bobine pivotant; la bobine pivote; Cela ressemble à la pale d’un ventilateur tournant, mais les conducteurs de la bobine de l’actionneur moderne (le fil magnétique) se déplacent perpendiculairement aux lignes de force magnétiques.

Les moteurs pas à pas étaient et sont encore souvent utilisés dans les imprimantes d’ordinateurs, les scanners optiques et les photocopieurs numériques pour déplacer l’élément de numérisation optique, le chariot de la tête d’impression (des imprimantes matricielles et à jet d’encre), ainsi que les rouleaux d’impression. De même, de nombreux traceurs informatiques (qui, depuis le début des années 90, ont été remplacés par des imprimantes laser et à jet d’encre grand format) ont utilisé des moteurs pas à pas rotatifs pour les mouvements du stylo et de la platine; Les alternatives typiques ici étaient soit des moteurs pas à pas linéaires, soit des servomoteurs avec des systèmes de contrôle analogiques en boucle fermée.

Les montres-bracelets analogiques dites à quartz contiennent les plus petits moteurs pas à pas courants; ils ont une bobine, consomment très peu d’énergie et ont un rotor à aimant permanent. Le même type de moteur entraîne les horloges à quartz à piles. Certaines de ces montres, telles que les chronographes, contiennent plusieurs moteurs pas à pas.

Les moteurs synchrones triphasés, les moteurs pas à pas et les MEV sont étroitement liés aux modèles de moteurs à réluctance variable. Les moteurs pas à pas étaient et sont encore souvent utilisés dans les imprimantes, les scanners optiques et les machines à commande numérique (CNC), tels que les routeurs, les découpeuses au plasma et les tours à commande numérique.

Moteurs non magnétiques
Un moteur électrostatique est basé sur l’attraction et la répulsion de la charge électrique.Habituellement, les moteurs électrostatiques sont le double des moteurs conventionnels à bobine. Ils nécessitent généralement une alimentation haute tension, bien que les très petits moteurs utilisent des tensions plus basses. Au lieu de cela, les moteurs électriques conventionnels utilisent l’attraction et la répulsion magnétiques et requièrent un courant élevé à basse tension. Dans les années 1750, Benjamin Franklin et Andrew Gordon développèrent les premiers moteurs électrostatiques.Aujourd’hui, le moteur électrostatique est fréquemment utilisé dans les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) où la tension de commande est inférieure à 100 volts et où les plaques chargées en mouvement sont beaucoup plus faciles à fabriquer que les bobines et les noyaux en fer.De plus, la machinerie moléculaire qui fait fonctionner les cellules vivantes est souvent basée sur des moteurs électrostatiques linéaires et rotatifs.

Un moteur piézoélectrique ou un moteur piézoélectrique est un type de moteur électrique basé sur le changement de forme d’un matériau piézoélectrique lorsqu’un champ électrique est appliqué. Les moteurs piézoélectriques utilisent l’effet piézoélectrique inverse, selon lequel le matériau produit des vibrations acoustiques ou ultrasoniques pour produire un mouvement linéaire ou rotatif. Dans un mécanisme, l’allongement dans un seul plan est utilisé pour créer une série d’étirements et de prises de position similaires à la façon dont une chenille se déplace.

Un système de propulsion d’engin spatial à propulsion électrique utilise la technologie des moteurs électriques pour propulser des engins spatiaux dans l’espace, la plupart des systèmes étant basés sur l’alimentation électrique d’un propulseur à haute vitesse, certains systèmes étant basés sur les principes de propulsion à la magnétosphère par des attaches électrodynamiques.