Bazele motoarelor - teorie și legi pentru proiectarea unui motor

V-ați întrebat vreodată cum se învârte un motor? Care sunt fundamentele implicate? Cum este controlat? Motoarele cu curent continuu sunt pe piață de mult timp și se învârt cu ușurință doar pe o sursă / baterie de curent continuu, în timp ce motoarele cu inducție și motoarele sincrone cu magnet permanent implică electronice complexe și teoria controlului pentru a le roti eficient. Înainte de a ajunge chiar la ceea ce este un motor DC sau care sunt alte tipuri de motoare, este important să înțelegem funcționarea motorului liniar - cel mai de bază motor. Acest lucru ne va ajuta să înțelegem elementele fundamentale din spatele unui motor care se rotește.

Sunt inginer de electronică de putere și control al motorului, iar următorul blog ar fi despre controlul motorului. Dar există anumite subiecte care sunt necesare pentru a înțelege înainte de a intra în profunzimea controlului motorului și le vom aborda în acest articol.

1. Funcționarea unui motor liniar
2. Tipuri de motoare și istoria sa
3. Saliency
4. Interacțiunea fluxului între stator și rotor

Funcționarea unui motor liniar

Fiind inginer în electronică de putere, nu știam prea multe despre funcționarea motoarelor. Am citit multe note, cărți și videoclipuri recomandate. Mi-a fost greu să înțeleg unele dintre motoare și controlul său în profunzime până când m-am referit din nou la legile elementare de conversie a energiei electromecanice - Legile forței Faraday și Lorentz. Vom petrece ceva timp înțelegând aceste legi. Unii dintre voi ar putea să știe deja, dar este bine să le parcurgeți încă o dată. S-ar putea să înveți ceva nou.

Legea lui Faraday

Legea inducției Faraday precizează relația dintre fluxul unei bobine de sârmă și tensiunea indusă în aceasta.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Unde Φ reprezintă fluxul din bobină. Aceasta este una dintre ecuațiile fundamentale utilizate pentru a obține modelul electric al unui motor. Această situație nu se întâmplă în motoarele practice, deoarece bobina ar consta într-un număr de rotații, distribuite în spațiu și ar trebui să ținem cont de fluxul prin fiecare dintre aceste rotații. Termenul legătură de flux (λ) reprezintă fluxul total legat de toate bobinele și este dat de următoarea ecuație

Φ _n reprezintă fluxul legat de a n- ^o bobină și N este numărul de ture. Poate fi descris ca bobina este formată din N ture simple într-o configurație de serie. Prin urmare,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Semnul minus este de obicei atribuit legii lui Lenz.

Legea lui Lenz prevede următoarele: O EMF (forța electromotivă) este indusă într-o bobină de sârmă dacă fluxul legat de acesta se schimbă. Polaritatea EMF este de așa natură încât, dacă un rezistor ar fi manevrat peste ea, curentul care curge în el s-ar opune schimbării fluxului care a indus EMF-ul respectiv.

Să înțelegem legea Lenz printr-un conductor (tijă) plasat într-un câmp magnetic (B̅) îndreptat în jos în planul hârtiei așa cum se arată în figura de mai sus. O forță F _aplicată mișcă tija orizontal, dar tija este întotdeauna în contact cu conductorii orizontali. Rezistorul extern R este utilizat ca șunt pentru a permite curentului să curgă. Deci, aranjamentul acționează ca un simplu circuit electric cu o sursă de tensiune (CEM indusă) și un rezistor. Fluxul legat de această buclă se schimbă pe măsură ce zona legată de B̅ crește. Acest lucru induce o CEM în circuit conform Legii Faraday (magnitudinea este decisă de viteza cu care se schimbă fluxul) și Legea lui Lenz (polaritatea este decisă astfel încât curentul indus să se opună schimbării fluxului).

Regula mâinii drepte ne va ajuta să cunoaștem direcția curentului. Dacă ne curbăm degetele în direcția curentului indus, atunci degetul mare va da direcția câmpului generat de acel curent indus. În acest caz, pentru a ne opune fluxului în creștere datorat câmpului B we, trebuie să dezvoltăm un câmp un câmp din planul hârtiei și, prin urmare, curentul va curge în sens invers acelor de ceasornic. Ca rezultat, terminalul A este mai pozitiv decât terminalul B. Din punct de vedere al sarcinii, se dezvoltă un CEM pozitiv cu flux crescător și, prin urmare, vom scrie ecuația ca

e (t) = d λ / dt

Observați că am ignorat semnul negativ în timp ce scriem această ecuație din punctul de vedere al sarcinii. (Un caz similar va apărea atunci când vom începe să ne ocupăm de motoare). Circuitul electric final va lua forma ca în figura de mai jos. Chiar dacă cazul discutat este al unui generator, am folosit convenția semnelor din punct de vedere motor, iar polaritatea prezentată în figura de mai jos este corectă. (Va deveni evident când vom trece la funcționarea motorului).

Putem calcula EMF indus după cum urmează. O bobină de 1 spire (conductor în acest caz) va produce o legătură de flux de:

Unde A reprezintă aria buclei, l este lungimea conductorului, v este viteza cu care se mișcă tija din cauza forței aplicate.

Privind ecuația de mai sus, putem spune că magnitudinea EMF este proporțională cu viteza conductorului și independentă de rezistorul extern. Dar rezistența externă va determina câtă forță este necesară pentru a menține viteza (și, prin urmare, curentul). Această discuție este continuată înainte sub forma Legii Lorentz.

Lorentz Law

Mai întâi vom verifica ecuația și apoi vom încerca să o înțelegem.

F = q. (E + Vc x B)

Se afirmă că atunci când o particulă de sarcină q se mișcă cu o viteză de v _c într-un câmp electromagnetic, experimentează o forță. Într-un motor, câmpul electric E este irelevant. Prin urmare, F = q. Vc. B

Dacă câmpul este constant cu timpul peste lungimea conductorului și perpendicular pe acesta, putem scrie ecuațiile de mai sus ca:

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

Arată că forța care acționează asupra sarcinii este direct proporțională cu curentul.

Înapoi la prima figură, am văzut că o forță externă aplicată induce un CEM care induce curent într-un rezistor. Toată energia este disipată sub formă de căldură în rezistor. Legea conservării energiei ar trebui să fie îndeplinită și, prin urmare, obținem:

F. v = e. eu

Această ecuație reprezintă modul în care energia mecanică este convertită în energie electrică. Acest aranjament se numește generator liniar.

Putem verifica în sfârșit modul în care funcționează un motor, adică modul în care energia electrică este convertită în energie mecanică. În figura de mai jos, am înlocuit rezistorul extern cu un rezistor blocat al circuitului și acum există o sursă externă de tensiune care alimentează curentul. În acest caz, vom observa o forță dezvoltată (F _DEZVOLTATĂ) dată de Legea Lorentz. Direcția forței poate fi stabilită prin regula din dreapta prezentată mai jos

Așa funcționează un motor liniar. Toate motoarele sunt derivate din aceste principii de bază. Există multe articole detaliate și videoclipuri pe care le veți găsi care descriu funcționarea motorului DC periat, a motoarelor fără perii, a motoarelor PMSM, a motoarelor cu inducție etc. Așadar, nu are sens să mai faceți un articol care să descrie operațiunea. Iată linkul către câteva dintre videoclipurile educaționale bune despre diferite tipuri de motoare și funcționarea acestuia.

Istoria motoarelor

• Din punct de vedere istoric, au existat trei tipuri de motoare care au fost utilizate pe scară largă - comutator de perii continuu, motoare sincrone și cu inducție. Multe aplicații solicită viteze variabile, iar motoarele de curent continuu au fost utilizate pe scară largă. Dar introducerea tiristorilor în jurul anului 1958 și tehnologia tranzistorului au schimbat scena.
• Au fost dezvoltate invertoare care au ajutat la o aplicație eficientă de control al vitezei. Dispozitivele tranzistorului puteau fi pornite și oprite după bunul plac și permitea funcționarea PWM. Schemele de control de bază care au fost dezvoltate anterior au fost acționările V / f pentru mașinile cu inducție.
• În paralel, magneții permanenți au început să înlocuiască bobinele de câmp pentru a îmbunătăți eficiența. Și utilizarea invertorului împreună cu mașinile cu magnet permanent sinusoidal a permis eliminarea periilor pentru a îmbunătăți durata de viață și fiabilitatea motorului.
• Următorul pas major a fost în controlul acestor mașini fără perii. Teoria celor două reacții (sau teoria dq) a fost introdusă de Andre Blondel în Franța înainte de 1900. A fost combinată cu vectori spațiali complexi care permiteau modelarea cu precizie a unei mașini în stare tranzitorie și stabilă. Pentru prima dată, cantitățile electrice și mecanice ar putea fi legate între ele.
• Motoarele cu inducție nu au văzut prea multe schimbări până în 1960. Doi germani - Blaschke și Hasse au făcut câteva inovații cheie care au condus la faimosul control vectorial al motoarelor cu inducție. Controlul vectorial se ocupă mai degrabă de modelul tranzitoriu al motorului de inducție decât de starea de echilibru. Pe lângă controlul amplitudinii tensiunii la raportul de frecvență, controlează și faza. Acest lucru a ajutat motorul cu inducție să fie utilizat în aplicații de control al vitezei și servo cu dinamică ridicată.
• Algoritmul fără senzori a fost următorul mare pas în controlul acestor motoare. Controlul vectorial (sau Controlul orientat pe câmp) necesită cunoașterea poziției rotorului. Senzorii de poziție scumpi au fost utilizați mai devreme. Capacitatea de a estima poziția rotorului pe baza modelului motorului le-a permis motoarelor să funcționeze fără senzori.
• Au fost foarte puține schimbări de atunci. Designul motorului și controlul acestuia rămân mai mult sau mai puțin aceleași.

Motoarele au evoluat încă din secolul trecut. Și electronica le-a ajutat să fie utilizate în diferite aplicații. Majoritatea energiei electrice utilizate în această lume este consumată de motoare!

Diferite tipuri de motoare

Motoarele pot fi clasificate în mai multe moduri diferite. Ne vom uita la unele dintre clasificări.

Aceasta este cea mai generală clasificare. A existat o mulțime de confuzie în ceea ce privește motoarele de curent alternativ și de curent continuu și este important să se facă o distincție între ele. Să rămânem la următoarea convenție: motoarele care necesită o sursă de curent alternativ „la terminalele sale” se numește motor de curent alternativ și care poate funcționa pe o sursă de curent continuu „la terminalele sale” se numește motor de curent continuu. „La terminalele sale” este important deoarece elimină ce tip de electronică este utilizată pentru a porni motorul. De exemplu: Motorul fără perii de curent continuu nu poate funcționa direct pe sursa de curent continuu și necesită un circuit electronic.

Motorul poate fi clasificat pe baza sursei de alimentare și pe baza comutării - perie sau fără perii, așa cum se arată mai jos

Deși nu mă adânc în proiectarea motoarelor oricăruia dintre motoarele de mai sus - Există două subiecte importante cu care aș dori să mă ocup - Saliența și interacțiunea fluxului rotorului cu fluxul statoric.

Saliency

Aspectele parametrilor mașinii, cum ar fi producția de cuplu și inductanța, sunt influențate de structura magnetică a mașinii (în mașinile cu magnet permanent). Iar cel mai de bază al acestui aspect este sănătatea. Saliency este măsura schimbării reticenței cu poziția rotorului. Atâta timp cât această reticență este constantă cu fiecare poziție a rotorului, mașina este numită nesalientă. Dacă reticența se schimbă odată cu poziția rotorului, mașina se numește salient.

De ce este important să înțelegem sănătatea? Deoarece un motor esențial poate avea acum două metode pentru a produce cuplu. Putem profita de variația de reticență a motorului pentru a produce un cuplu de reticență împreună cu cuplul magnetic (produs de magneți). Așa cum se arată în figura de mai jos, putem obține niveluri de cuplu mai mari pentru același curent cu adăugarea cuplului de reticență. Acesta va fi cazul motoarelor IPM (Magnet permanent interior). (Există motoare care funcționează pur și simplu asupra efectului reticenței, dar nu le vom discuta aici.) Următorul subiect vă va ajuta să înțelegeți mult mai bine legătura fluxului și sensibilitatea.

(Notă: Avansul unghiului din figura de mai jos se referă la diferența de fază dintre curentul statorului și fluxul de aer).

Interacțiunea fluxului între rotor și stator

Fluxul într-un motor se deplasează de la rotor peste golul de aer la stator și revine din nou prin golul de aer înapoi la rotor pentru a completa bucla de câmp. În acea cale, fluxul vede diferite reticențe (rezistență magnetică). Laminările (oțelul) au o reticență foarte scăzută din cauza μ _r mare (permeabilitatea relativă a oțelului este în intervalul de mii) în timp ce golul de aer are o reticență foarte mare (μ _r este aproximativ egal cu 1).

MMF (forța magnetomotivă) dezvoltată pe oțel este foarte mică, deoarece are o reticență neglijabilă în comparație cu golul de aer. (Un analog cu circuitul electric ar fi: O sursă de tensiune (magnet) conduce curentul (fluxul) printr-un rezistor (reticența gap-ului de aer). Conductorii (oțel) conectați la rezistor au o rezistență foarte mică și putem ignora căderea de tensiune (Drop MMF) peste el). Astfel, structura statorului și a oțelului rotor are o influență neglijabilă și întregul MMF este dezvoltat prin reticența efectivă a golului de aer (orice material neferos din calea fluxului este considerat a avea o permeabilitate relativă egală cu cea a golului de aer). Lungimea golului de aer este neglijabilă în comparație cu diametrul rotorului și se poate presupune în siguranță că fluxul din rotor este perpendicular pe stator.Există efecte de franjurare și alte neliniarități datorate fantelor și dinților, dar acestea sunt, în general, ignorate în modelarea mașinii. (Nu le puteți ignora atunci când proiectați mașina). Dar fluxul din golul de aer nu este dat doar de fluxul rotorului (magneți în cazul unei mașini cu magnet permanent). Curentul din bobina statorului contribuie, de asemenea, la flux. Interacțiunea acestor 2 fluxuri va determina cuplul care acționează asupra motorului. Iar termenul care îl descrie se numește legătura efectivă a fluxului de aer. Ideea nu este de a intra în matematică și de a deriva ecuațiile, ci de a elimina două puncte:Dar fluxul din golul de aer nu este dat doar de fluxul rotorului (magneți în cazul unei mașini cu magnet permanent). Curentul din bobina statorului contribuie, de asemenea, la flux. Interacțiunea acestor 2 fluxuri va determina cuplul care acționează asupra motorului. Iar termenul care îl descrie se numește legătura efectivă a fluxului de aer. Ideea nu este de a intra în matematică și de a deriva ecuațiile, ci de a elimina două puncte:Dar fluxul din golul de aer nu este dat doar de fluxul rotorului (magneți în cazul unei mașini cu magnet permanent). Curentul din bobina statorului contribuie, de asemenea, la flux. Interacțiunea acestor 2 fluxuri va determina cuplul care acționează asupra motorului. Iar termenul care îl descrie se numește legătura efectivă a fluxului de aer. Ideea nu este de a intra în matematică și de a deriva ecuațiile, ci de a elimina două puncte:

• Ne preocupă doar fluxul din decalajul de aer, întrucât întregul MMF este dezvoltat peste el.
• Legătura efectivă a fluxului în golul de aer se datorează atât curentului statoric, cât și fluxului rotorului (magneți), iar interacțiunea dintre acestea produce cuplu.

Figura de mai sus prezintă rotorul și statorul diferitelor tipuri de motoare. Ar fi interesant să aflăm care dintre ele sunt importante și care nu?

Notă: în fiecare dintre aceste motoare sunt marcate două axe - D și Q. (Axa Q este axa magnetică și axa D este electric perpendiculară pe aceasta). Vom reveni la axa D și Q în articolele viitoare. Nu este important pentru întrebarea de mai sus.

Răspuns:

A, B, C - non-salient, D, E, F, G, H - salient (magneții afectează reticența în poziția diferită a rotorului, vezi figura de mai jos, în J, K- atât rotorul, cât și statorul sunt non-saliente.

Vom încheia acest articol în acest moment. S-ar fi putut discuta mult mai multe matematici și modele de mașini, dar ar deveni prea complex aici. Am acoperit majoritatea subiectelor necesare pentru a înțelege controlul unui motor. Următoarea serie de articole se va muta direct la Controlul orientat pe câmp (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening și toate aspectele practice hardware și software în care s-ar putea să vă blocați odată ce începeți proiectarea controlerului.