미국에서 에디슨이 DC 전기 분배 시스템을 도입한 후, 보다 경제적인 AC 시스템으로 점진적으로 전환이 시작되었습니다. 조명은 DC와 마찬가지로 AC에서도 잘 작동했습니다.
교류 전류는 전기 에너지의 전송을 더 낮은 손실로 더 먼 거리까지 커버했습니다 . 그러나 모터는 교류 전류의 문제였습니다. 처음에는 AC 모터가 DC 모터처럼 만들어졌지만, 자기장이 변하기 때문에 수많은 문제가 발생했습니다.
AC 전기 모터 패밀리 다이어그램
찰스 P. 슈타인메츠는 철 전기자에서 히스테리시스 손실을 조사하여 이러한 문제를 해결하는 데 기여했습니다. 니콜라 테슬라는 물이나 증기가 아니라 회전하는 자기장에 의해 회전하는 회전 터빈을 시각화했을 때 완전히 새로운 유형의 모터를 구상 했습니다 .
그의 새로운 유형의 모터인 AC 유도 모터는 오늘날까지 업계의 주력 제품입니다. 견고함과 단순성으로 인해 수명이 길고 신뢰성이 높으며 유지 관리가 간편합니다.
그러나 DC 종류와 유사한 소형 브러시 AC 모터는 소형 가전제품에서 소형 테슬라 유도 모터와 함께 계속 사용됩니다. 1마력(750W) 이상에서는 테슬라 모터가 최고입니다.
현대의 솔리드 스테이트 전자 회로는 DC 소스에서 생성된 AC 파형을 사용하여 무브러시 DC 모터를 구동합니다. 무브러시 DC 모터는 실제로 AC 모터이며, 많은 응용 분야에서 기존의 브러시 DC 모터를 대체하고 있습니다. 그리고 모터의 디지털 버전인 스테퍼 모터는 다시 솔리드 스테이트 회로에서 생성된 교류 사각파에 의해 구동됩니다.
위의 그림은 이 장에서 설명하는 AC 모터의 가계도를 보여줍니다.
크루즈선과 다른 대형 선박은 감속 기어 구동축을 대형 멀티 메가와트 발전기와 모터로 대체합니다. 이는 수년 동안 소규모 디젤 전기 기관차의 경우였습니다.
모터 시스템 레벨 다이어그램
시스템 수준에서(위 그림) 모터는 전위차와 전류 흐름의 관점에서 전기 에너지를 받아 기계적 작업으로 변환합니다. 불행히도 전기 모터는 100% 효율적이지 않습니다. 일부 전기 에너지는 모터 권선의 I2R 손실(구리 손실이라고도 함)로 인해 열, 즉 또 다른 형태의 에너지로 손실됩니다.
열은 이 변환의 바람직하지 않은 부산물입니다. 모터에서 제거해야 하며 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 한 가지 목표는 모터 효율을 극대화하여 열 손실을 줄이는 것입니다. AC 모터는 또한 DC 모터에서 발생하지 않는 손실, 즉 히스테리시스와 와전류도 있습니다.
히스테리시스와 와전류
초기 AC 모터 설계자들은 교류 자기에 고유한 손실로 인한 문제에 직면했습니다. 이러한 문제는 DC 모터를 AC 작동에 적용할 때 발생했습니다. 오늘날 DC 모터와 유사한 AC 모터는 거의 없지만, 모든 유형의 AC 모터를 적절하게 설계하기 전에 이러한 문제를 해결해야 했습니다.
AC 모터의 로터와 스테이터 코어는 모두 절연된 적층판의 스택으로 구성됩니다. 적층판은 최종 형태로 쌓고 볼트로 고정하기 전에 절연 바니시로 코팅됩니다. 와전류는 잠재적 인 전도 루프를 더 작고 손실이 적은 세그먼트로 나누어 최소화합니다. (아래 그림)
전류 루프는 단락된 변압기 2차 턴처럼 보입니다. 얇은 절연된 적층은 이러한 루프를 끊습니다. 또한 적층에 사용된 합금에 추가된 실리콘(반도체)은 전기 저항을 증가시켜 와전류의 크기를 감소시킵니다.
철심의 와전류
적층판이 실리콘 합금 결정립 방향성 강철로 만들어진 경우, 히스테리시스 손실이 최소화됩니다. 자기 히스테리시스는 자화력에 비해 자기장 강도가 뒤떨어지는 것입니다. 연철 못이 솔레노이드에 의해 일시적으로 자화되면 솔레노이드에 전원이 공급되지 않으면 못의 자기장이 사라질 것으로 예상할 수 있습니다. 그러나 히스테리시스로 인한 소량의 잔류 자화 , B R 이 남습니다(아래 그림).
교류 전류는 잔류 자화를 극복하기 위해 보자력 인 에너지 -H C를 소비해야 하며 , 그 후에야 코어를 다시 0으로 자화할 수 있고, 반대 방향으로는 더더욱 불가능합니다.
히스테리시스 손실은 AC의 극성이 반전될 때마다 발생합니다. 손실은 BH 곡선에서 히스테리시스 루프로 둘러싸인 면적에 비례합니다. "연질" 철 합금은 "경질" 고탄소강 합금보다 손실이 낮습니다. 4% 실리콘의 실리콘 결정립 방향성 강은 결정립 또는 결정 구조를 우선적으로 배향하도록 압연되어 손실이 훨씬 낮습니다.
저손실 및 고손실 합금에 대한 히스테리시스 곡선
슈타인메츠의 히스테리시스 법칙이 철심 손실을 예측할 수 있게 되자, 설계된 대로 작동하는 AC 모터를 설계할 수 있게 되었습니다. 이는 실제로 지어지면 무너지지 않는 다리를 미리 설계할 수 있는 것과 비슷했습니다.
와전류와 히스테리시스에 대한 이러한 지식은 처음에는 DC 대응 제품과 유사한 AC 정류자 모터를 만드는 데 적용되었습니다. 오늘날 이는 AC 모터의 사소한 범주에 불과합니다. 다른 사람들은 DC 친척과 거의 유사하지 않은 새로운 유형의 AC 모터를 발명했습니다.