Grundlæggende om motorer - teori og love til design af en motor

Har du nogensinde spekuleret på, hvordan en motor drejer? Hvad er de grundlæggende faktorer involveret? Hvordan styres det? DC-børstede motorer har været på markedet siden lang tid, og de drejer let på bare et jævnstrømsforsyning / batteri, mens induktionsmotorer og synkronmotorer med permanent magnet involverer kompleks elektronik og styringsteori for at rotere dem effektivt. Før vi overhovedet kommer til, hvad der er en jævnstrømsmotor, eller hvad der er andre typer motorer, er det vigtigt at forstå driften af ​​lineær motor - den mest basale motor. Dette hjælper os med at forstå det grundlæggende bag en motorspinding.

Jeg er ingeniør inden for strømelektronik og motorstyring, og den næste blog vil være om motorstyring. Men der er visse emner, der er nødvendige for at forstå, før du går i dybden af ​​motorstyring, og vi vil dække dem i denne artikel.

1. Drift af en lineær motor
2. Typer af motorer og dens historie
3. Salience
4. Fluxinteraktion mellem statoren og rotoren

Drift af en lineær motor

At være motorelektronikingeniør vidste jeg ikke meget om motorens drift. Jeg læste mange noter, bøger og henviste videoer. Jeg havde svært ved at forstå nogle af motorerne og dens kontrol i dybden, indtil jeg igen henviste til de grundlæggende elektromekaniske energikonverteringslove - Faraday og Lorentz Force Laws. Vi vil bruge lidt tid på at forstå disse love. Nogle af jer ved det måske allerede, men det er godt at gå igennem dem igen. Du lærer måske noget nyt.

Faradays lov

Faradays lov om induktion angiver forholdet mellem strømmen af ​​en trådspole og den spænding, der induceres i den.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Hvor Φ repræsenterer fluxen i spolen. Dette er en af ​​de grundlæggende ligninger, der bruges til at udlede den elektriske model af en motor. Denne situation sker ikke i praktiske motorer, da spolen vil bestå af et antal omdrejninger fordelt i rummet, og vi bliver nødt til at tage højde for strømmen gennem hver af disse drejninger. Udtrykket fluxbinding (λ) repræsenterer den samlede flux forbundet med alle spolerne, og det er givet ved følgende ligning

Φ _n betegner fluxen forbundet med n ^th spole og N er antallet af vindinger. Det kan beskrives som spolen er dannet af N enkelt omdrejninger i en seriekonfiguration. Dermed,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Minustegnet tilskrives normalt Lenzs lov.

Lenzs lov siger følgende: En EMF (elektromotorisk kraft) induceres i en trådspole, hvis strømmen forbundet med den ændres. EMF's polaritet er sådan, at hvis en modstand blev shuntet over den, ville strømmen, der strømmer i den, modsætte sig ændringen i flux, der inducerede EMF.

Lad os forstå Lenz-loven gennem en leder (stang) placeret i et magnetfelt (B̅), der peger nedad i papirets plan som vist ovenfor. En kraft F _anvendt bevæger stangen vandret, men stangen er altid i kontakt med de vandrette ledere. Den eksterne modstand R bruges som en shunt for at lade strømmen strømme. Så fungerer arrangementet som et simpelt elektrisk kredsløb med en spændingskilde (den inducerede EMF) og en modstand. Fluxen, der er forbundet med denne sløjfe, ændrer sig, efterhånden som området forbundet med B linked øges. Dette inducerer en EMF i kredsløbet i henhold til Faradays lov (størrelsen bestemmes af hvor hurtigt fluxen ændrer sig) og Lenz's lov (polariteten bestemmes således, at den inducerede strøm modsætter sig fluxændringen).

Højre hånds tommelfingerregel hjælper os med at kende strømens retning. Hvis vi krøller fingrene i retning af den inducerede strøm, så giver tommelfingeren retningen på det genererede felt af den inducerede strøm. I dette tilfælde er vi nødt til at udvikle et felt et felt ud af papirets plan, og derfor vil strømmen strømme i retning mod uret for at modsætte sig den stigende flux på grund af B̅-feltet. Som et resultat er terminal A mere positiv end terminal B. Fra belastningssynspunktet udvikles en positiv EMF med stigende flux, og derfor skriver vi ligningen som

e (t) = d λ / dt

Vær opmærksom på, at vi har ignoreret det negative tegn, mens vi skriver denne ligning ud fra belastningens synspunkt. (En lignende sag vil komme op, når vi begynder at beskæftige os med motorer). Det endelige elektriske kredsløb har form som nedenstående figur. Selvom det diskuterede tilfælde er af en generator, har vi brugt skiltkonventionen fra motorisk synspunkt, og polariteten vist i nedenstående figur er korrekt. (Det bliver tydeligt, når vi går videre til motoroperationen).

Vi kan beregne EMF-induceret som følger. En spole med 1 omdrejning (leder i dette tilfælde) vil frembringe en fluxforbindelse på:

Hvor A repræsenterer området af sløjfen, er l lederens længde, v er den hastighed, hvormed stangen bevæger sig, på grund af den påførte kraft.

Når man ser på ovenstående ligning, kan vi sige, at størrelsen af ​​EMF er proportional med lederens hastighed og uafhængig af den eksterne modstand. Men den eksterne modstand bestemmer, hvor meget kraft der kræves for at opretholde hastigheden (og dermed strømmen). Denne diskussion fortsættes i form af Lorentz Law.

Lorentz lov

Vi tjekker ligningen først og prøver derefter at forstå den.

F = q. (E + Vc x B)

Det hedder, at når en partikel beregning q bevæger med en hastighed på v _c i et elektromagnetisk felt, det oplever en kraft. I en motor er det elektriske felt E irrelevant. Dermed, F = q. Vc. B

Hvis feltet er konstant med tiden over lederens længde og vinkelret på det, kan vi skrive ovenstående ligninger som:

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

Det viser, at kraften, der virker på ladningen, er direkte proportional med strømmen.

Tilbage til første figur har vi set, at en påført ekstern kraft inducerer en EMF, som inducerer strøm i en modstand. Al energi spredes som varme i modstanden. Loven om energibesparelse skal være opfyldt, og derfor får vi:

F. v = e. jeg

Denne ligning repræsenterer, hvordan mekanisk energi omdannes til elektrisk energi. Dette arrangement kaldes en lineær generator.

Vi kan endelig tjekke, hvordan en motor kører, dvs. hvordan den elektriske energi omdannes til mekanisk energi. I nedenstående figur har vi udskiftet den eksterne modstand med en klumpmodstand i kredsløbet, og nu er der en ekstern spændingskilde, der leverer strømmen. I dette tilfælde vil vi observere en kraft udviklet (F _UDVIKLET) givet af Lorentz-loven. Styrkens retning kan fastlægges ved hjælp af højrehåndsreglen vist nedenfor

Sådan fungerer en lineær motor. Alle motorer stammer fra disse grundlæggende principper. Der er mange detaljerede artikler og videoer, som du finder, der beskriver driften af ​​børstet jævnstrømsmotor, børsteløse motorer, PMSM-motorer, induktionsmotorer osv. Så det giver ikke mening at lave endnu en artikel, der beskriver driften. Her er linket til nogle af de gode undervisningsvideoer om forskellige typer motorer og dens drift.

Motors historie

• Historisk har der været tre typer motorer, der har været meget udbredt - børstekommutator DC-, synkron- og induktionsmotorer. Mange applikationer kræver varierende hastighed, og jævnstrømsmotorer blev brugt i vid udstrækning. Men introduktionen af ​​tyristorer omkring 1958 og transistorteknologien ændrede scenen.
• Invertere blev udviklet, som hjalp med i en effektiv hastighedsstyringsapplikation. Transistoranordningerne kunne tændes og slukkes efter ønske, og det tillod PWM-drift. De grundlæggende kontrolordninger, der blev udviklet tidligere, var V / f-drev til induktionsmaskiner.
• Parallelt begyndte permanente magneter at udskifte feltbatterier for at forbedre effektiviteten. Og brugen af ​​inverter sammen med sinusformede permanente magnetmaskiner tillod fjernelse af børster for at forbedre motorens levetid og pålidelighed.
• Det næste store skridt var i styringen af ​​disse børsteløse maskiner. To-reaktionsteorien (eller dq-teorien) blev introduceret af Andre Blondel i Frankrig før 1900. Den blev kombineret med komplekse rumvektorer, der gjorde det muligt at modellere en maskine nøjagtigt i forbigående og stabil tilstand. For første gang kunne de elektriske og mekaniske størrelser relateres til hinanden.
• Induktionsmotorer så ikke meget ændringer før i 1960. To tyskere - Blaschke og Hasse lavede nogle nøgleinnovationer, der førte til den nu berømte vektorkontrol af induktionsmotorer. Vektorkontrol beskæftiger sig med den forbigående model af induktionsmotoren snarere end den steady state. Udover at kontrollere spændingsamplitude til frekvensforholdet styrer den også fasen. Dette hjalp induktionsmotoren til at blive brugt til hastighedsregulering og servoapplikationer med høj dynamik.
• Den sensorløse algoritme var det næste store skridt i styringen af ​​disse motorer. Vektorkontrol (eller feltorienteret kontrol) kræver kendskab til rotorpositionen. Dyre positionssensorer blev brugt tidligere. Evnen til at estimere rotorpositionen baseret på motormodellen tillod motorerne at køre uden sensorer.
• Der har været meget få ændringer siden da. Motordesignet og dets kontrol forbliver mere eller mindre det samme.

Motorer har udviklet sig siden sidste århundrede. Og elektronik har hjulpet dem med at blive brugt i forskellige applikationer. Størstedelen af ​​den elektricitet, der bruges i denne verden, forbruges af motorer!

Forskellige typer motorer

Motorerne kan klassificeres på mange forskellige måder. Vi vil se på nogle af klassifikationerne.

Dette er den mest generelle klassifikation. Der har været stor forvirring med AC- og DC-motorer, og det er vigtigt at skelne mellem dem. Lad os holde os til følgende konvention: de motorer, der kræver en vekselstrømsforsyning 'ved dens terminaler' kaldes en vekselstrømsmotor, og som kan køre på en jævnstrømsforsyning 'ved dens terminaler' kaldes en jævnstrømsmotor. 'På dens terminaler' er vigtigt, fordi det eliminerer, hvilken slags elektronik der bruges til at køre motoren. For eksempel: Den børsteløse DC-motor kan faktisk ikke køre direkte på DC-forsyning, og den kræver et elektronisk kredsløb.

Motoren kan klassificeres baseret på strømforsyning og baseret på kommutering - børste eller børsteløs, som vist nedenfor

Selvom jeg ikke går dybt ind i motordesignet på nogen af ​​de ovennævnte motorer - Der er to vigtige emner, som jeg gerne vil behandle - Salience og interaktion mellem Rotor Flux og Stator Flux.

Salience

Aspekter af maskinparametre som momentproduktion og induktans er påvirket af maskinens magnetiske struktur (i maskiner med permanent magnet). Og det mest grundlæggende i dette aspekt er opmærksomhed. Salience er målestokken for ændring i modvilje mod rotorposition. Så længe denne tilbageholdenhed er konstant i hver rotorposition, kaldes maskinen ikke-fremtrædende. Hvis modviljen ændrer sig med rotorpositionen, kaldes maskinen fremtrædende.

Hvorfor er vigtighed at forstå? Fordi en fremtrædende motor nu kan have to metoder til at producere drejningsmoment. Vi kan drage fordel af modstandsvariation i motoren til at producere reluktansmoment sammen med det magnetiske moment (produceret af magneterne). Som vist i nedenstående figur kan vi opnå højere drejningsmomentniveauer for den samme strøm med tilføjelse af reluktansmoment. Dette vil være tilfældet med IPM-motorer (Interior Permanent Magnet). (Der er motorer, der udelukkende arbejder på modstandseffekt, men vi diskuterer dem ikke her.) Det næste emne hjælper dig med at forstå fluxbinding og salience meget bedre.

(Bemærk: Vinkelfremskridt i nedenstående figur henviser til faseforskellen mellem statorstrømmen og luftspalten.)

Fluxinteraktion mellem rotoren og statoren

Flux i en motor bevæger sig fra rotoren over luftspalten til statoren og kommer tilbage igen gennem luftspalten tilbage til rotoren for at fuldføre feltløkken. På den vej ser strømmen forskellige modvilje (magnetisk modstand). Lamineringer (stål) har en meget lav reluktans grund af stor μ _r (relativ permeabilitet på stål er i området fra tusinder) henviser luftspalte har en meget høj reluktans (μ _r er omtrent lig med 1).

MMF (magnetomotive force), der er udviklet på tværs af stålet, er meget mindre, da den har ubetydelig modvilje sammenlignet med luftspalten. (En analog til det elektriske kredsløb ville være: En spændingskilde (magnet) driver strøm (flux) gennem en modstand (luftspaltreluktans). Ledere (stål), der er forbundet til modstanden, har meget lav modstand, og vi kan ignorere spændingsfaldet (MMF drop) over det). Således har statorens og rotorstålets struktur en ubetydelig indflydelse, og hele MMF udvikles på tværs af den effektive luftspaltreluktans (ethvert ikke-jernholdigt materiale i fluxbanen anses for at have en relativ permeabilitet svarende til luftspalten). Luftspaltelængden er ubetydelig sammenlignet med rotordiameteren, og det kan med sikkerhed antages, at strømmen fra rotoren er vinkelret på statoren.Der er frynseffekter og andre ikke-lineariteter på grund af slidser og tænder, men disse ignoreres generelt ved modellering af maskinen. (Du KAN IKKE ignorere dem, når du designer maskinen). Men fluxen i luftspalten er ikke kun givet af rotorstrømmen (magneter i tilfælde af permanentmagnetmaskine). Strømmen i statorspolen bidrager også til strømmen. Det er interaktionen mellem disse 2 strømme, der bestemmer det drejningsmoment, der virker på motoren. Og udtrykket, der beskriver det, kaldes den effektive luftspaltefluxforbindelse. Ideen er ikke at gå ind i matematik og udlede ligningerne, men at fjerne to punkter:Men fluxen i luftspalten er ikke kun givet af rotorstrømmen (magneter i tilfælde af permanentmagnetmaskine). Strømmen i statorspolen bidrager også til strømmen. Det er interaktionen mellem disse 2 strømme, der bestemmer det drejningsmoment, der virker på motoren. Og udtrykket, der beskriver det, kaldes den effektive luftspaltefluxforbindelse. Ideen er ikke at gå ind i matematik og udlede ligningerne, men at fjerne to punkter:Men fluxen i luftspalten er ikke kun givet af rotorstrømmen (magneter i tilfælde af permanentmagnetmaskine). Strømmen i statorspolen bidrager også til strømmen. Det er interaktionen mellem disse 2 strømme, der bestemmer det drejningsmoment, der virker på motoren. Og udtrykket, der beskriver det, kaldes den effektive luftspaltefluxforbindelse. Ideen er ikke at gå ind i matematik og udlede ligningerne, men at fjerne to punkter:

• Vi er kun bekymrede over strømmen i luftspalten, da hele MMF er udviklet på tværs af den.
• Den effektive fluxforbindelse i luftspalten skyldes både statorstrømmen og rotorstrømmen (magneter), og samspillet mellem dem producerer drejningsmoment.

Ovenstående figur viser rotoren og statoren for forskellige typer motorer. Det ville være interessant at finde ud af, hvilke af dem der er fremtrædende, og hvilke ikke?

Bemærk: I hver af disse motorer er to akser markeret - D og Q. (Q-aksen er den magnetiske akse, og D-aksen er elektrisk vinkelret på den). Vi kommer tilbage til D- og Q-aksen i fremtidige artikler. Det er ikke vigtigt for ovenstående spørgsmål.

Svar:

A, B, C - ikke-fremtrædende, D, E, F, G, H - fremtrædende (magneterne påvirker tilbageholdenheden i forskellige rotorpositioner, se nedenstående figur, i J, K - både rotoren og statoren er ikke-fremtrædende.

Vi afslutter denne artikel på dette tidspunkt. Meget mere matematik og maskinmodellering kunne have været diskuteret, men det ville blive for komplekst her. Vi har dækket de fleste af de emner, der er nødvendige for at forstå styringen af ​​en motor. Den næste serie af artikler flytter direkte til Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening og alle de praktiske hardware- og software-aspekter, hvor du muligvis sidder fast, når du begynder at designe controlleren.