Základy motorů - teorie a zákony pro konstrukci motoru

Přemýšleli jste někdy, jak se točí motor? O jaké zásady jde? Jak je to kontrolováno? Stejnosměrné kartáčované motory jsou na trhu již dlouhou dobu a snadno se otáčejí pouze na stejnosměrné napájení / baterii, zatímco indukční motory a synchronní motory s permanentními magnety vyžadují složitou elektroniku a řídicí teorii pro jejich efektivní otáčení. Než se vůbec dostaneme k tomu, co je stejnosměrný motor nebo jaké jsou jiné typy motorů, je důležité porozumět fungování lineárního motoru - nejzákladnějšího motoru. To nám pomůže pochopit základy otáčení motoru.

Jsem technik v oblasti výkonové elektroniky a řízení motorů a další blog se bude věnovat řízení motorů. Existují však určitá témata, kterým je nutné porozumět, než se dostaneme do hloubky ovládání motoru, a budeme se jim věnovat v tomto článku.

1. Provoz lineárního motoru
2. Druhy motorů a jejich historie
3. Nápadnost
4. Interakce toku mezi statorem a rotorem

Provoz lineárního motoru

Jako technik výkonové elektroniky jsem toho o provozu motorů moc nevěděl. Přečetl jsem mnoho poznámek, knih a doporučených videí. Některé motory a jejich ovládání jsem těžko chápal do hloubky, dokud jsem znovu neodkázal na základní zákony pro elektromechanickou přeměnu energie - Faradayovy a Lorentzovy silové zákony. Strávíme nějaký čas porozuměním těmto zákonům. Někteří z vás to už možná vědí, ale je dobré si je ještě jednou projít. Možná se naučíte něco nového.

Faradayův zákon

Faradayův zákon indukce uvádí vztah mezi tokem cívky drátu a napětím v něm indukovaným.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Kde Φ představuje tok v cívce. Toto je jedna ze základních rovnic používaných k odvození elektrického modelu motoru. K této situaci u praktických motorů nedochází, protože cívka by se skládala z několika závitů rozložených v prostoru a my bychom museli počítat s tokem skrz každou z těchto závitů. Termín vazba toku (λ) představuje celkový tok spojený se všemi cívkami a je dán následující rovnicí

Φ _n představuje tok spojený s n- ^tou cívkou a N je počet závitů. Lze to popsat tak, že cívka je vytvořena z N jednotlivých závitů v sériové konfiguraci. Tím pádem,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Znaménko mínus se obvykle připisuje Lenzovu zákonu.

Lenzův zákon stanoví následující: EMF (elektromotorická síla) je indukována v cívce drátu, pokud se mění tok s ní spojený. Polarita EMF je taková, že pokud by se přes něj posunul odpor, proud tekoucí v něm by se postavil proti změně toku, která vyvolala tento EMF.

Rozumíme Lenzovu zákonu vodičem (tyčí) umístěným v magnetickém poli (B̅) směřujícím dolů do roviny papíru, jak je znázorněno na obrázku výše. Síla F _aplikována pohybuje tyč horizontálně, ale je tyč vždy v kontaktu s horizontálními vodiči. Externí rezistor R se používá jako směšovač pro umožnění toku proudu. Uspořádání tedy funguje jako jednoduchý elektrický obvod se zdrojem napětí (indukovaný EMF) a rezistorem. Tok spojený s touto smyčkou se mění s tím, jak se zvyšuje oblast spojená s B̅. To indukuje EMF v obvodu podle Faradayova zákona (velikost se určuje podle toho, jak rychle se tok mění) a Lenzova zákona (polarita se rozhoduje tak, že indukovaný proud bude proti změně toku).

Pravidlo pravého palce nám pomůže poznat směr proudu. Pokud zvlníme prsty ve směru indukovaného proudu, pak palec udá směr generovaného pole tímto indukovaným proudem. V tomto případě, abychom se postavili proti rostoucímu toku způsobenému polem B̅, musíme vyvinout pole a pole mimo rovinu papíru, a proto bude proud protékat proti směru hodinových ručiček. Výsledkem je, že svorka A je pozitivnější než svorka B. Z hlediska zatížení je kladný EMF vyvíjen s rostoucím tokem, a proto budeme rovnici psát jako

e (t) = d λ / dt

Všimněte si, že jsme při psaní této rovnice z hlediska zatížení ignorovali záporné znaménko. (Podobný případ se objeví, až začneme jednat s motory). Konečný elektrický obvod bude mít podobu uvedenou níže. Přestože se jedná o případ generátoru, použili jsme znakovou konvenci z motorového hlediska a polarita znázorněná na obrázku níže je správná. (Bude to zřejmé, když přejdeme k provozu motoru).

Můžeme vypočítat EMF indukovanou následujícím způsobem. Cívka 1 otáčky (v tomto případě vodič) vytvoří spojení toku:

Kde A představuje oblast smyčky, l je délka vodiče, v je rychlost, s níž se tyč pohybuje v důsledku použité síly.

Při pohledu na výše uvedenou rovnici můžeme říci, že velikost EMF je úměrná rychlosti vodiče a nezávislá na externím rezistoru. Vnější rezistor však určí, kolik síly je zapotřebí k udržení rychlosti (a tedy i proudu). Tato diskuse pokračuje vpřed v podobě Lorentzova zákona.

Lorentzův zákon

Nejprve si rovnici prohlédneme a poté se jí pokusíme porozumět.

F = q. (E + Vc x B)

Uvádí, že když se částice náboje q pohybuje v elektromagnetickém poli rychlostí v _c, zažívá sílu. V motoru je elektrické pole E irelevantní. Tím pádem, F = q. Vc. B

Pokud je pole konstantní s časem po délce vodiče a kolmo na něj, můžeme napsat výše uvedené rovnice jako:

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

Ukazuje, že síla působící na náboj je přímo úměrná proudu.

Zpět na první obrázek jsme viděli, že použitá vnější síla indukuje EMF, který indukuje proud v rezistoru. Veškerá energie se v rezistoru rozptýlí jako teplo. Zákon zachování energie by měl být splněn, a proto získáme:

F. v = e. i

Tato rovnice představuje způsob přeměny mechanické energie na energii elektrickou. Toto uspořádání se nazývá lineární generátor.

Nakonec můžeme zkontrolovat, jak motor běží, tj. Jak je elektrická energie přeměňována na mechanickou energii. Na níže uvedeném obrázku jsme nahradili externí rezistor soustředěným rezistorem obvodu a nyní existuje externí zdroj napětí, který dodává proud. V tomto případě budeme pozorovat sílu vyvinutou (F _ROZVINUTOU) danou Lorentzovým zákonem. Směr síly lze určit pravidlem pravé ruky uvedeným níže

Takto funguje lineární motor. Všechny motory jsou odvozeny z těchto základních principů. Existuje mnoho podrobných článků a videí, kde najdete popis činnosti kartáčovaného stejnosměrného motoru, střídavých motorů, PMSM motorů, indukčních motorů atd. Takže nemá smysl dělat ještě jeden článek popisující provoz. Zde je odkaz na některá z dobrých vzdělávacích videí o různých typech motorů a jejich provozu.

Historie motorů

• Historicky byly široce používány tři typy motorů - stejnosměrný kartáčový komutátor, synchronní a indukční motory. Mnoho aplikací vyžaduje různé rychlosti a stejnosměrné motory byly široce používány. Zavedení tyristorů kolem roku 1958 a technologie tranzistorů však scénu změnily.
• Byly vyvinuty střídače, které pomáhaly při efektivní aplikaci regulace otáček. Tranzistorová zařízení bylo možné libovolně zapínat a vypínat, což umožňovalo provoz PWM. Základní řídicí schémata, která byla vyvinuta dříve, byly pohony V / f pro indukční stroje.
• Paralelní permanentní magnety začaly nahrazovat budicí cívky, aby se zlepšila účinnost. A použití střídače společně se stroji se sinusovými permanentními magnety umožnilo eliminaci kartáčů, aby se zlepšila životnost a spolehlivost motoru.
• Dalším důležitým krokem bylo ovládání těchto střídavých strojů. Teorii dvou reakcí (nebo teorii dq) představil Andre Blondel ve Francii před rokem 1900. Byla kombinována s komplexními vesmírnými vektory, které umožňovaly modelovat stroj přesně v přechodném a ustáleném stavu. Poprvé mohly elektrické a mechanické veličiny vzájemně souviset.
• Indukční motory se až do roku 1960 příliš nezměnily. Dva Němci - Blaschke a Hasse provedli několik klíčových inovací, které vedly k dnes již slavnému vektorovému řízení indukčních motorů. Vektorové řízení se zabývá spíše přechodným modelem indukčního motoru než ustáleným stavem. Kromě řízení poměru amplitudy napětí k frekvenci řídí také fázi. To pomohlo použití indukčního motoru při řízení rychlosti a servo aplikacích s vysokou dynamikou.
• Algoritmus bez čidel byl dalším velkým krokem v řízení těchto motorů. Vektorové ovládání (nebo Field Oriented Control) vyžaduje znát polohu rotoru. Drahé snímače polohy byly použity dříve. Schopnost odhadnout polohu rotoru na základě modelu motoru umožnila motorům běžet bez senzorů.
• Od té doby došlo jen k několika změnám. Konstrukce motoru a jeho ovládání zůstávají víceméně stejné.

Motory se vyvíjely od minulého století. A elektronika jim pomohla být použity v různých aplikacích. Většina elektřiny spotřebované v tomto světě je spotřebována motory!

Různé typy motorů

Motory lze klasifikovat mnoha různými způsoby. Podíváme se na některé klasifikace.

Toto je nejobecnější klasifikace. U střídavých a stejnosměrných motorů došlo k velkému zmatku a je důležité mezi nimi rozlišovat. Držme se následující konvence: motory, které vyžadují střídavé napájení „na svých svorkách“, se nazývají střídavé motory a které mohou běžet na stejnosměrné napájení „na svých svorkách“ se nazývají stejnosměrné motory. „Na jeho svorkách“ je důležité, protože vylučuje, jaký druh elektroniky se používá k chodu motoru. Například: Stejnosměrný stejnosměrný motor ve skutečnosti nemůže běžet přímo na stejnosměrné napájení a vyžaduje elektronický obvod.

Motor lze klasifikovat podle napájení a podle komutace - kartáč nebo střídač, jak je uvedeno níže

Ačkoli se nebudu hlouběji zabývat konstrukcí motorů žádného z výše uvedených motorů - Existují dvě důležitá témata, kterými bych se chtěl zabývat - Saliency and Interaction of Rotor Flux with Stator Flux.

Nápadnost

Aspekty parametrů stroje, jako je produkce točivého momentu a indukčnost, jsou ovlivněny magnetickou strukturou stroje (u strojů s permanentními magnety). A nejzákladnějším z tohoto aspektu je nápadnost. Salience je měřítkem změny neochoty s polohou rotoru. Pokud je tato neochota konstantní s každou polohou rotoru, je stroj nazýván nenápadný. Pokud se neochota změní s polohou rotoru, stroj se nazývá výběžek.

Proč je důležité porozumět výběžku? Protože hlavní motor může nyní mít dva způsoby výroby točivého momentu. Můžeme využít variace reluktance v motoru k vytvoření reluktančního momentu spolu s magnetickým momentem (produkovaným magnety). Jak je znázorněno na následujícím obrázku, můžeme dosáhnout vyšší úrovně točivého momentu pro stejný proud přidáním reluktančního točivého momentu. To bude případ motorů IPM (Interior Permanent Magnet). (Existují motory, které čistě pracují na neochotném efektu, ale nebudeme je zde diskutovat.) Další téma vám pomůže lépe porozumět propojení toků a výběžku.

(Poznámka: Úhlový posun na níže uvedeném obrázku se týká fázového rozdílu mezi proudem statoru a tokem vzduchové mezery.)

Interakce toku mezi rotorem a statorem

Tok v motoru cestuje z rotoru přes vzduchovou mezeru ke statoru a vrací se zpět vzduchovou mezerou zpět do rotoru, aby dokončil smyčku pole. V této dráze tok vidí různé neochoty (magnetický odpor). Laminace (ocel) mají velmi nízkou reluktanci kvůli vysokému μ _r (relativní propustnost oceli se pohybuje v řádu tisíců), zatímco vzduchová mezera má velmi vysokou reluktanci (μ _r je přibližně rovna 1).

MMF (magnetomotorická síla) vyvinutá napříč ocelí je velmi malá, protože má zanedbatelnou neochotu ve srovnání se vzduchovou mezerou. (Analogický k elektrickému obvodu by byl: Zdroj napětí (magnet) pohání proud (tok) odporem (neochota vzduchové mezery). Vodiče (ocel) připojené k odporu mají velmi nízký odpor a pokles napětí můžeme ignorovat. (Pokles MMF) přes něj). Struktura statorové a rotorové oceli má tedy zanedbatelný vliv a celý MMF se vyvíjí přes efektivní neochotu vzduchové mezery (jakýkoli neželezný materiál v dráze toku se považuje za relativní permeabilitu rovnou vzduchové mezeře). Délka vzduchové mezery je ve srovnání s průměrem rotoru zanedbatelná a lze bezpečně předpokládat, že tok z rotoru je kolmý ke statoru.Kvůli drážkám a zubům existují okrajové efekty a další nelinearity, ale ty jsou při modelování stroje obecně ignorovány. (NELZE je ignorovat při konstrukci stroje). Tok ve vzduchové mezeře však není dán pouze tokem rotoru (magnety v případě stroje s permanentními magnety). Proud ve statorové cívce také přispívá k toku. Právě interakce těchto 2 toků určí točivý moment působící na motor. A termín, který to popisuje, se nazývá efektivní propojení toku vzduchovou mezerou. Nejde o to jít do matematiky a odvodit rovnice, ale odnést dva body:Tok ve vzduchové mezeře však není dán pouze tokem rotoru (magnety v případě stroje s permanentními magnety). Proud ve statorové cívce také přispívá k toku. Právě interakce těchto 2 toků určí točivý moment působící na motor. A termín, který to popisuje, se nazývá efektivní propojení toku vzduchovou mezerou. Nejde o to jít do matematiky a odvodit rovnice, ale odnést dva body:Tok ve vzduchové mezeře však není dán pouze tokem rotoru (magnety v případě stroje s permanentními magnety). Proud ve statorové cívce také přispívá k toku. Právě interakce těchto 2 toků určí točivý moment působící na motor. A termín, který to popisuje, se nazývá efektivní propojení toku vzduchovou mezerou. Nejde o to jít do matematiky a odvodit rovnice, ale odnést dva body:

• Jde nám pouze o tok ve vzduchové mezeře, protože se v ní vyvíjí celý MMF.
• Účinné propojení toku ve vzduchové mezeře je způsobeno jak proudem statoru, tak tokem rotoru (magnety) a interakce mezi nimi vytváří točivý moment.

Výše uvedený obrázek ukazuje rotor a stator různých typů motorů. Bylo by zajímavé zjistit, které z nich jsou výběžku a které ne?

Poznámka: V každém z těchto motorů jsou označeny dvě osy - D a Q. (Osa Q je magnetická osa a osa D je na ni elektricky kolmá). V dalších článcích se vrátíme k ose D a Q. Pro výše uvedenou otázku to není důležité.

Odpovědět:

A, B, C - nevyčnívající, D, E, F, G, H - vyčnívající (magnety ovlivňují neochotu v různých polohách rotoru, viz obrázek níže, v J, K - rotor i stator jsou nevyčnívající.

V tomto bodě ukončíme tento článek. Mohlo se diskutovat o mnohem více matematice a modelování strojů, ale zde by to bylo příliš složité. Pokryli jsme většinu témat, která jsou potřebná k pochopení ovládání motoru. Další série článků se přímo přesune na Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening a všechny praktické hardwarové a softwarové aspekty, kde byste se možná mohli zaseknout, jakmile začnete navrhovat ovladač.