Osnove motora - teorija i zakoni za projektiranje motora

Jeste li se ikad zapitali kako se okreće motor? O čemu se radi? Kako se kontrolira? Istosmjerni četkani motori na tržištu su već dugo vremena i lako se vrte samo na istosmjernom napajanju / bateriji, dok indukcijski motori i sinkroni motori s trajnim magnetima uključuju složenu elektroniku i teoriju upravljanja kako bi ih učinkovito rotirali. Prije nego što uopće dođemo do toga što je istosmjerni motor ili koje su druge vrste motora, važno je razumjeti rad linearnog motora - najosnovnijeg motora. To će nam pomoći da shvatimo osnove iza kojih se vrti motor.

Ja sam inženjer energetske elektronike i upravljanja motorom i sljedeći blog bio bi o upravljanju motorom. Ali postoje određene teme koje je potrebno razumjeti prije ulaska u dubinu upravljanja motorom, a mi ćemo ih pokriti u ovom članku.

1. Rad linearnog motora
2. Vrste motora i njihova povijest
3. Izdvojenost
4. Interakcija protoka između statora i rotora

Rad linearnog motora

Budući da sam inženjer energetske elektronike, nisam znao puno o radu motora. Pročitao sam mnoge bilješke, knjige i preporučene videozapise. Teško sam razumio neke motore i njihovu dubinsku kontrolu dok se nisam ponovno osvrnuo na osnovne elektro-mehaničke zakone pretvorbe energije - Faradayeve i Lorentzove zakone o sili. Provest ćemo neko vrijeme razumijevajući te zakone. Neki od vas to možda već znaju, ali dobro je još jednom proći kroz njih. Možda naučite nešto novo.

Faradayev zakon

Faradayev zakon indukcije navodi odnos između toka zavojnice žice i napona induciranog u njoj.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Gdje Φ predstavlja tok u zavojnici. Ovo je jedna od temeljnih jednadžbi koja se koristi za izvođenje električnog modela motora. Ta se situacija ne događa u praktičnim motorima jer bi se zavojnica sastojala od određenog broja zavoja, raspoređenih u prostoru i morali bismo uzeti u obzir protok kroz svaki od tih zavoja. Pojam fluksna povezanost (λ) predstavlja ukupni tok povezan sa svim zavojnicama i dat je sljedećom jednadžbom

Represents _n predstavlja tok povezan s n- ^tom zavojnicom, a N je broj zavoja. Može se opisati kako je zavojnica sastavljena od N pojedinačnih zavoja u serijskoj konfiguraciji. Tako,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Znak minus obično se pripisuje Lenzovom zakonu.

Lenzov zakon kaže sljedeće: EMF (elektromotorna sila) inducira se u zavojnici žice ako se promijeni tok povezan s njom. Polaritet EMF-a je takav da bi se struja koja teče u njemu suprotstavila promjeni fluksa koja je inducirala EMF ako bi se preko njega preusmjerivao otpornik.

Shvatimo Lenzov zakon kroz vodič (šipku) smješten u magnetsko polje (B̅) usmjeren prema dolje u ravninu papira kako je prikazano na gornjoj slici. Sila F _primjenjuje poteze štap vodoravno, ali štap je uvijek u kontaktu s horizontalnim vodovima. Vanjski otpor R koristi se kao razvodnik za puštanje struje. Dakle, raspored djeluje poput jednostavnog električnog kruga s izvorom napona (inducirani EMF) i otpornikom. Tok povezan s ovom petljom mijenja se kako se povećava područje povezano s B̅. To inducira EMF u krugu prema Faradayevom zakonu (o veličini se odlučuje brzinom promjene fluksa) i Lenzovom zakonu (polaritet je odlučen takav da će se inducirana struja suprotstaviti promjeni fluksa).

Pravilo palca desne ruke pomoći će nam u poznavanju smjera struje. Ako uvijemo prste u smjeru inducirane struje, tada će palac dati smjer generiranog polja tom induciranom strujom. U ovom slučaju, da bismo se suprotstavili rastućem protoku zbog polja B̅, trebamo razviti polje polje izvan ravnine papira, pa će struja teći u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Kao rezultat, terminal A pozitivniji je od terminala B. S gledišta opterećenja razvija se pozitivan EMF s povećanjem protoka i stoga ćemo jednadžbu napisati kao

e (t) = d λ / dt

Primijetite da smo zanemarili negativni predznak dok pišemo ovu jednadžbu sa stajališta tereta. (Sličan slučaj pojavit će se kad se počnemo baviti motorima). Završni električni krug poprimit će oblik kao na donjoj slici. Iako je raspravljeni slučaj generatora, koristili smo konvenciju znakova s ​​motoričkog gledišta i polaritet prikazan na donjoj slici je točan. (To će postati očito kad prijeđemo na rad motora).

Inducirani EMF možemo izračunati na sljedeći način. Zavojnica od 1 okreta (u ovom slučaju vodič) proizvest će protočnu vezu od:

Gdje A predstavlja područje petlje, l je duljina vodiča, v je brzina kojom se štap kreće zbog primijenjene sile.

Gledajući gornju jednadžbu, možemo reći da je veličina EMF proporcionalna brzini vodiča i neovisna o vanjskom otporu. Ali vanjski otpor će odrediti kolika je sila potrebna za održavanje brzine (a time i struje). Ova se rasprava nastavlja u obliku Lorentzovog zakona.

Lorentzov zakon

Prvo ćemo provjeriti jednadžbu, a zatim je pokušati razumjeti.

F = q. (E + Vc x B)

U njemu se navodi da kada se čestica naboja q kreće brzinom od v _c u elektromagnetskom polju, doživljava silu. U motoru je električno polje E nebitno. Tako, F = q. Vc. B

Ako je polje konstantno s vremenom tijekom duljine vodiča i okomito na njega, gornje jednadžbe možemo zapisati kao:

F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l

To pokazuje da je sila koja djeluje na naboj izravno proporcionalna struji.

Natrag na prvu sliku, vidjeli smo da primijenjena vanjska sila inducira EMF koji inducira struju u otporniku. Sva se energija u otporniku rasipa kao toplina. Zakon o očuvanju energije trebao bi biti zadovoljen i stoga dobivamo:

F. v = e. ja

Ova jednadžba predstavlja kako se mehanička energija pretvara u električnu. Taj se raspored naziva linearni generator.

Napokon možemo provjeriti kako motor radi, odnosno kako se električna energija pretvara u mehaničku. Na donjoj slici zamijenili smo vanjski otpornik sa spojenim otporom kruga i sada postoji vanjski izvor napona koji napaja struju. U ovom ćemo slučaju primijetiti razvijenu silu (_RAZVIJENU) danu Lorentzovim zakonom. Smjer sile može se utvrditi dolje prikazanim pravilom desne ruke

Ovako radi linearni motor. Svi motori su izvedeni iz ovih osnovnih principa. Postoji mnogo detaljnih članaka i videozapisa koji opisuju rad istosmjernog motora s četkicama, motora bez četkica, PMSM motora, indukcijskih motora itd. Dakle, nema smisla izrađivati ​​još jedan članak koji opisuje rad. Ovdje je veza do nekih dobrih obrazovnih videa o različitim vrstama motora i njihovom radu.

Povijest motora

• Povijesno gledano, postojale su tri vrste motora koje su se naširoko koristile - komutatorski istosmjerni, sinkroni i indukcijski motori. Mnoge aplikacije zahtijevaju promjenjivu brzinu i istosmjerni motori su bili široko korišteni. Ali uvođenje tiristora oko 1958. i tranzistorska tehnologija promijenili su scenu.
• Razvijeni su pretvarači koji su pomogli u učinkovitoj aplikaciji za kontrolu brzine. Tranzistorski uređaji mogli su se uključivati ​​i isključivati ​​po volji i to je omogućavalo rad PWM-a. Osnovne sheme upravljanja koje su ranije razvijene bili su V / f pogoni za indukcijske strojeve.
• Paralelno s tim, trajni magneti počeli su zamjenjivati ​​poljske zavojnice radi poboljšanja učinkovitosti. A upotreba pretvarača zajedno sa sinusoidnim strojevima s trajnim magnetima omogućila je uklanjanje četkica radi poboljšanja vijeka trajanja i pouzdanosti motora.
• Sljedeći je važan korak bio nadzor nad tim strojevima bez četkica. Teoriju o dvije reakcije (ili teoriju dq) uveo je Andre Blondel u Francuskoj prije 1900. godine. Kombinirala se sa složenim svemirskim vektorima što je omogućilo precizno modeliranje stroja u prolaznom i stabilnom stanju. Po prvi puta, električne i mehaničke veličine mogle bi se međusobno povezati.
• Indukcijski motori nisu vidjeli puno promjena do 1960. Dvoje Nijemaca - Blaschke i Hasse napravili su neke ključne inovacije koje su dovele do danas poznate vektorske kontrole indukcijskih motora. Vektorsko upravljanje bavi se prijelaznim modelom asinhronog motora, a ne ustaljenim stanjem. Osim što kontrolira omjer amplitude napona i frekvencije, on također kontrolira fazu. To je pomoglo asinhronom motoru da se koristi u regulaciji brzine i servo aplikacijama s velikom dinamikom.
• Algoritam bez senzora bio je sljedeći veliki korak u kontroli ovih motora. Vektorska kontrola (ili terenski orijentirana kontrola) zahtijeva poznavanje položaja rotora. Ranije su korišteni senzori za skupe položaje. Sposobnost procjene položaja rotora na temelju modela motora omogućila je motorima da rade bez ikakvih senzora.
• Od tada je bilo vrlo malo promjena. Dizajn motora i njegovo upravljanje više ili manje ostaju isti.

Motori se razvijaju od prošlog stoljeća. A elektronika im je pomogla da se koriste u različitim primjenama. Većinu električne energije koja se koristi na ovom svijetu troše motori!

Različite vrste motora

Motori se mogu klasificirati na puno različitih načina. Pogledat ćemo neke klasifikacije.

Ovo je najopćenitija klasifikacija. Došlo je do zabune u vezi s izmjeničnim i istosmjernim motorima i važno je razlikovati ih. Držimo se slijedeće konvencije: motori kojima je potrebno napajanje izmjeničnom strujom 'na svojim stezaljkama' nazivaju se izmjeničnim motorima i koji mogu raditi na istosmjernom napajanju 'na svojim stezaljkama' nazivaju se istosmjernim motorom. 'Na svojim stezaljkama' važan je jer eliminira kakvu se elektroniku koristi za pokretanje motora. Na primjer: istosmjerni motor bez četkica zapravo ne može raditi izravno na istosmjerno napajanje i potreban mu je elektronički sklop.

Motor se može klasificirati na temelju napajanja i komutacije - četkom ili četkom, kao što je prikazano u nastavku

Iako ne ulazim duboko u dizajn motora bilo kojeg od gore navedenih motora - dvije su važne teme kojima bih se želio pozabaviti - izdržljivost i interakcija protoka rotora sa protokom statora.

Izdvojenost

Na aspekte parametara stroja poput proizvodnje okretnog momenta i induktivnosti utječe magnetska struktura stroja (u strojevima s trajnim magnetima). A najosnovniji od tog aspekta je istaknutost. Izdržljivost je mjera promjene opiranja s položajem rotora. Sve dok je ta nevoljnost konstantna kod svakog položaja rotora, stroj se naziva nestalnim. Ako se nevoljkost mijenja s položajem rotora, stroj se naziva istaknutim.

Zašto je izdvojljivost važno razumjeti? Budući da istaknuti motor sada može imati dvije metode za stvaranje obrtnog momenta. Možemo iskoristiti varijacije nevoljnosti u motoru da proizvedemo okretni moment zajedno s magnetskim momentom (koji proizvode magneti). Kao što je prikazano na donjoj slici, možemo postići višu razinu okretnog momenta za istu struju dodavanjem okretnog momenta reluktancije. To će biti slučaj s IPM (unutarnjim permanentnim magnetima) motorima. (Postoje motori koji djeluju isključivo na učinak nevoljkosti, ali ovdje nećemo o njima raspravljati.) Sljedeća tema pomoći će vam da puno bolje razumijete povezanost i izdržljivost fluksa.

(Napomena: Napredak kuta na donjoj slici odnosi se na faznu razliku između struje statora i protoka zračnog zazora.)

Interakcija protoka između rotora i statora

Fluks u motoru putuje od rotora preko zračnog raspora do statora i ponovno se vraća kroz zračni otvor natrag do rotora kako bi dovršio petlju polja. Na tom putu tok vidi različite reluktacije (magnetski otpor). Laminiranje (čelik) ima vrlo nisku opiranje zbog velike μ _r (relativna propusnost čelika je u rasponu od tisuća), dok zračni razmak ima vrlo visoku odbojnost (μ _r je približno jednaka 1).

MMF (magnetomotorna sila) razvijena u čeliku vrlo je mala jer ima zanemarivu odbojnost u odnosu na zračni raspor. (Analog električnom krugu bio bi: Izvor napona (magnet) pokreće struju (tok) kroz otpor (reluktancija zračnog zazora). Provodnici (čelični) spojeni na otpor imaju vrlo mali otpor i možemo zanemariti pad napona (MMF pad) preko njega). Stoga struktura čelika statora i rotora ima zanemariv utjecaj, a cjelokupni MMF razvija se kroz efektivnu nespremnost zračnog zazora (smatra se da svaki obojeni materijal na putu protoka ima relativnu propusnost jednaku propusnosti zračnog zazora). Duljina zračnog raspora je zanemariva u usporedbi s promjerom rotora i može se sigurno pretpostaviti da je tok iz rotora okomit na stator.Postoje prorezi i druge nelinearnosti zbog proreza i zubaca, ali oni se u modeliranju stroja obično zanemaruju. (NE MOŽETE ih ignorirati prilikom projektiranja stroja). Ali protok u zračnom rasporu ne daje samo tok rotora (magneti u slučaju stroja s trajnim magnetima). Struja u zavojnici statora također doprinosi protoku. Interakcija ova dva fluksa odredit će moment koji djeluje na motor. A pojam koji ga opisuje naziva se efektivna veza protoka zračnog raspora. Ideja nije ulaziti u matematiku i izvoditi jednadžbe već oduzeti dvije točke:Ali protok u zračnom rasporu ne daje samo tok rotora (magneti u slučaju stroja s trajnim magnetima). Struja u zavojnici statora također doprinosi protoku. Interakcija ova dva fluksa odredit će moment koji djeluje na motor. A pojam koji ga opisuje naziva se efektivna veza protoka zračnog raspora. Ideja nije ulaziti u matematiku i izvoditi jednadžbe već oduzeti dvije točke:Ali protok u zračnom rasporu ne daje samo tok rotora (magneti u slučaju stroja s trajnim magnetima). Struja u zavojnici statora također doprinosi protoku. Interakcija ova dva fluksa odredit će moment koji djeluje na motor. A pojam koji ga opisuje naziva se efektivna veza protoka zračnog raspora. Ideja nije ulaziti u matematiku i izvoditi jednadžbe već oduzeti dvije točke:

• Zabrinuti smo samo za protok u zračnom rasporu jer je čitav MMF razvijen preko njega.
• Učinkovito povezivanje protoka u zračnom zazoru posljedica je i struje statora i protoka rotora (magneta), a njihova interakcija stvara moment.

Gornja slika prikazuje rotor i stator različitih vrsta motora. Bilo bi zanimljivo saznati koji su od njih istaknuti, a koji ne?

Napomena: U svakom od ovih motora označene su dvije osi - D i Q. (Q-os je magnetska os, a D-osa je električno okomita na nju). U sljedećim ćemo se člancima vratiti na D i Q os. Za gore navedeno pitanje nije važno.

Odgovor:

A, B, C - nestalni, D, E, F, G, H - istaknuti (magneti utječu na opiranje u različitom položaju rotora, vidi donju sliku, u J, K - i rotor i stator nisu istaknuti.

Završit ćemo ovaj članak u ovom trenutku. Moglo bi se raspravljati o puno više matematike i modeliranju strojeva, ali ovdje bi postalo previše složeno. Pokrili smo većinu tema potrebnih za razumijevanje upravljanja motorom. Sljedeća serija članaka izravno će se preusmjeriti na terensko orijentiranu kontrolu (FOC), svemirsku modulaciju prostora (SVM), slabljenje protoka i sve praktične hardverske i softverske aspekte u kojima biste mogli zapeti nakon što započnete s dizajniranjem kontrolera.