Základy motorov - teória a zákony navrhovania motora

Zaujímalo vás niekedy, ako sa točí motor? Čo sú to základné zásady? Ako sa to kontroluje? Kartáčové motory na jednosmerný prúd sú na trhu už dlho a ľahko sa točia iba na jednosmerné napájanie / batériu, zatiaľ čo indukčné motory a synchrónne motory s permanentnými magnetmi obsahujú zložitú elektroniku a teóriu riadenia na ich efektívne otáčanie. Predtým, ako sa vôbec dostaneme k tomu, čo je jednosmerný motor alebo aké sú iné typy motorov, je dôležité pochopiť fungovanie lineárneho motora - najzákladnejšieho motora. To nám pomôže porozumieť základom roztočenia motora.

Som inžinier v oblasti výkonovej elektroniky a riadenia motorov a ďalší blog by sa týkal riadenia motorov. Existujú však určité témy, ktorým je potrebné porozumieť, skôr ako sa dostaneme do hĺbky riadenia motora, a týmto sa budeme venovať v tomto článku.

Prevádzka lineárneho motora
Druhy motorov a ich história
Výstrednosť
Interakcia toku medzi statorom a rotorom

Prevádzka lineárneho motora

Keďže som technikom výkonovej elektroniky, nevedel som veľa o prevádzke motorov. Čítal som veľa poznámok, kníh a odporúčaných videí. Niektorým motorom a ich riadeniu som ťažko rozumel do hĺbky, kým som opäť neodkázal na základné zákony o elektromechanickej premene energie - Faradayove a Lorentzove silové zákony. Strávime určitý čas porozumením týchto zákonov. Niektorí z vás to už možno vedia, ale je dobré si ich ešte raz prejsť. Dozviete sa možno niečo nové.

Faradayov zákon

Faradayov zákon indukcie uvádza vzťah medzi tokom cievky drôtu a napätím v ňom indukovaným.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Kde Φ predstavuje tok v cievke. Toto je jedna zo základných rovníc používaných na odvodenie elektrického modelu motora. Táto situácia sa v praktických motoroch nestáva, pretože cievka by pozostávala z niekoľkých závitov rozmiestnených v priestore a museli by sme brať do úvahy tok cez každú z týchto závitov. Termín väzba toku (λ) predstavuje celkový tok spojený so všetkými cievkami a je daný nasledujúcou rovnicou

Φ _n predstavuje tok spojený s n- ^tou cievkou a N je počet závitov. Dá sa to opísať tak, že cievka je tvorená N samostatnými závitmi v sériovej konfigurácii. Preto

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Znamienko mínus sa zvyčajne pripisuje Lenzovmu zákonu.

Lenzov zákon hovorí nasledovné: EMF (elektromotorická sila) je indukovaná v cievke drôtu, ak sa mení tok s ním spojený. Polarita EMF je taká, že ak by sa cez ňu posunul odpor, prúd, ktorý v nej prúdi, by sa postavil proti zmene toku, ktorá vyvolala tento EMF.

Pochopme Lenzov zákon cez vodič (tyč) umiestnený v magnetickom poli (B̅) smerujúci dole do roviny papiera, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Sila F _aplikovaná pohybuje tyč horizontálne, ale je tyč vždy v kontakte s horizontálnymi vodičmi. Externý odpor R sa používa ako bočník na umožnenie toku prúdu. Usporiadanie teda funguje ako jednoduchý elektrický obvod so zdrojom napätia (indukovaný EMF) a rezistorom. Tok spojený s touto slučkou sa mení s tým, ako sa zväčšuje oblasť spojená s B̅. To indukuje EMF v obvode podľa Faradayovho zákona (o veľkosti sa rozhoduje podľa toho, ako rýchlo sa tok mení) a Lenzovho zákona (o polarite sa rozhoduje tak, že indukovaný prúd bude proti zmene toku).

Pravidlo pravou rukou nám pomôže pri poznávaní smeru prúdu. Ak zvlníme prsty v smere indukovaného prúdu, potom palec dá smer vygenerovaného poľa týmto indukovaným prúdom. V takom prípade, aby sme zabránili zvyšujúcemu sa toku spôsobenému poľom B̅, musíme vytvoriť pole a pole mimo rovinu papiera, a preto bude prúd prúdiť proti smeru hodinových ručičiek. Výsledkom je, že svorka A je pozitívnejšia ako svorka B. Z hľadiska zaťaženia sa kladný EMF vyvíja so zvyšujúcim sa tokom, a preto budeme rovnicu písať ako

e (t) = d λ / dt

Všimnite si, že sme pri písaní tejto rovnice z hľadiska zaťaženia ignorovali záporné znamienko. (Podobný prípad sa objaví, keď začneme riešiť motory). Výsledný elektrický obvod bude mať formu uvedenú na nasledujúcom obrázku. Aj keď je diskutovaným prípadom generátor, z motorického hľadiska sme použili konvenciu znamienok a polarita znázornená na obrázku nižšie je správna. (Bude to zrejmé, keď prejdeme k motorickej prevádzke).

EMF indukovanú môžeme vypočítať nasledovne. Cievka s 1 závitom (v tomto prípade vodič) vytvorí spojenie toku:

Kde A predstavuje oblasť slučky, l je dĺžka vodiča, v je rýchlosť, s ktorou sa tyč pohybuje v dôsledku pôsobiacej sily.

Pri pohľade na vyššie uvedenú rovnicu môžeme povedať, že veľkosť EMF je úmerná rýchlosti vodiča a nezávislá od vonkajšieho odporu. Ale externý rezistor určí, koľko sily je potrebné na udržanie rýchlosti (a teda aj prúdu). Táto diskusia pokračuje vpred vo forme zákona Lorentza.

Lorentzov zákon

Najskôr si pozrieme rovnicu a potom sa jej pokúsime porozumieť.

F = q. (E + Vc x B)

Uvádza sa v ňom, že keď sa častica náboja q pohybuje v elektromagnetickom poli rýchlosťou v _c, zažíva silu. V motore je elektrické pole E irelevantné. Preto

F = q. Vc. B

Ak je pole konštantné s časom po dĺžke vodiča a kolmo na neho, môžeme napísať vyššie uvedené rovnice ako:

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

Ukazuje, že sila pôsobiaca na náboj je priamo úmerná prúdu.

Späť na prvý obrázok sme videli, že použitá vonkajšia sila indukuje EMF, ktorý indukuje prúd v rezistore. Celá energia sa v rezistore rozptýli ako teplo. Zákon zachovania energie by mal byť splnený, a preto dostaneme:

F. v = e. i

Táto rovnica predstavuje spôsob premeny mechanickej energie na elektrickú. Toto usporiadanie sa nazýva lineárny generátor.

Konečne môžeme skontrolovať, ako motor beží, tj ako sa elektrická energia mení na mechanickú. Na nasledujúcom obrázku sme nahradili externý rezistor sústredeným odporom obvodu a teraz existuje externý zdroj napätia, ktorý dodáva prúd. V tomto prípade budeme pozorovať vyvinutú silu (F _VYVINUTÚ) danú Lorentzovým zákonom. Smer sily možno určiť pravidlom pravej ruky uvedeným nižšie

Takto pracuje lineárny motor. Všetky motory sú odvodené od týchto základných princípov. Existuje mnoho podrobných článkov a videí, ktoré popisujú činnosť kartáčovaných jednosmerných motorov, bezkartáčových motorov, PMSM motorov, indukčných motorov atď. Takže nemá zmysel robiť ešte jeden článok popisujúci túto činnosť. Tu je odkaz na niektoré z dobrých vzdelávacích videí o rôznych druhoch motorov a ich prevádzke.

Dejiny motorov

Historicky existujú tri typy motorov, ktoré sa bežne používajú - jednosmerný kartáčový komutátor, synchrónne a indukčné motory. Mnoho aplikácií vyžaduje rôzne otáčky a široko používané DC motory. Ale zavedenie tyristorov okolo roku 1958 a technológia tranzistorov zmenila scénu.
Boli vyvinuté invertory, ktoré pomohli pri efektívnej aplikácii riadenia rýchlosti. Tranzistorové zariadenia sa dali ľubovoľne zapínať a vypínať, čo umožňovalo fungovanie PWM. Základné schémy riadenia, ktoré boli vyvinuté skôr, boli V / f pohony pre indukčné stroje.
Paralelné permanentné magnety začali kvôli zlepšeniu účinnosti nahrádzať cievky. A použitie invertora spolu so sínusovými strojmi s permanentnými magnetmi umožnilo vylúčenie kief, aby sa zlepšila životnosť a spoľahlivosť motora.
Ďalším dôležitým krokom bolo riadenie týchto bezkefových strojov. Teóriu dvoch reakcií (alebo teóriu dq) predstavil Andre Blondel vo Francúzsku pred rokom 1900. Bola kombinovaná s komplexnými vesmírnymi vektormi, ktoré umožňovali presne modelovať stroj v prechodnom a ustálenom stave. Prvýkrát mohli elektrické a mechanické veličiny navzájom súvisieť.
Indukčné motory zaznamenali veľké zmeny až v roku 1960. Dvaja Nemci - Blaschke a Hasse uskutočnili niektoré kľúčové inovácie, ktoré viedli k dnes už slávnemu vektorovému riadeniu indukčných motorov. Vektorové riadenie sa zaoberá skôr prechodným modelom indukčného motora ako ustáleným stavom. Okrem riadenia pomeru amplitúdy napätia k frekvencii riadi aj fázu. To pomohlo použitiu indukčného motora v aplikáciách na reguláciu rýchlosti a v servopohonoch s vysokou dynamikou.
Algoritmus bez snímačov bol ďalším veľkým krokom v ovládaní týchto motorov. Vektorové riadenie (alebo Field Oriented Control) vyžaduje znalosť polohy rotora. Senzory drahých pozícií sa používali už skôr. Schopnosť odhadnúť polohu rotora na základe modelu motora umožnila motorom bežať bez akýchkoľvek senzorov.
Odvtedy sa zmenilo len veľmi málo. Konštrukcia motora a jeho ovládanie zostávajú viacmenej rovnaké.

Motory sa vyvíjajú od minulého storočia. A elektronika im pomohla v rôznych aplikáciách. Väčšina elektriny používanej v tomto svete je spotrebovaná motormi!

Rôzne typy motorov

Motory je možné klasifikovať rôznymi spôsobmi. Pozrime sa na niektoré klasifikácie.

Toto je najobecnejšia klasifikácia. Pokiaľ ide o striedavé a jednosmerné motory, došlo k mnohým nejasnostiam a je potrebné ich rozlišovať. Zostaňme pri nasledujúcom dohovore: motory, ktoré vyžadujú napájanie striedavým prúdom „na svojich svorkách“, sa nazývajú striedavým motorom a ktoré môžu bežať na jednosmerné napájanie „na svojich svorkách“ sa nazýva jednosmerný motor. „Na svojich svorkách“ je dôležité, pretože vylučuje, aký druh elektroniky sa používa na chod motora. Napríklad: Bezkartáčový jednosmerný motor v skutočnosti nemôže bežať priamo na jednosmerné napájanie a vyžaduje elektronický obvod.

Motor je možné klasifikovať podľa napájacieho zdroja a podľa komutácie - štetkový alebo bezkartáčový, ako je uvedené nižšie

Aj keď nejdem hlboko do konštrukcie motora žiadneho z vyššie uvedených motorov - sú dve dôležité témy, ktorým by som sa chcel venovať - Saliency and Interaction of Rotor Flux with Stator Flux.

Výstrednosť

Aspekty parametrov stroja, ako je produkcia krútiaceho momentu a indukčnosť, sú ovplyvnené magnetickou štruktúrou stroja (v strojoch s permanentným magnetom). A najzákladnejším z tohto aspektu je význačnosť. Výbežok je mierou zmeny neochoty s pozíciou rotora. Pokiaľ je táto neochota pri každej polohe rotora konštantná, nazýva sa stroj nenápadný. Ak sa neochota zmení s polohou rotora, stroj sa nazýva výbežok.

Prečo je dôležité pochopiť významnosť? Pretože hlavný motor môže teraz mať dva spôsoby výroby krútiaceho momentu. Môžeme využiť variáciu reluktancie v motore na vytvorenie reluktančného krútiaceho momentu spolu s magnetickým krútiacim momentom (produkovaným magnetmi). Ako je znázornené na nasledujúcom obrázku, môžeme dosiahnuť vyššiu hladinu krútiaceho momentu pre ten istý prúd pridaním reluktančného krútiaceho momentu. To bude prípad motorov IPM (vnútorný permanentný magnet). (Existujú motory, ktoré fungujú čisto na neochote, ale nebudeme ich tu rozoberať.) Nasledujúca téma vám pomôže lepšie pochopiť väzbu tokov a výbežok.

(Poznámka: Predĺženie uhla na nasledujúcom obrázku sa týka fázového rozdielu medzi prúdom statora a tokom vzduchovej medzery.)

Interakcia toku medzi rotorom a statorom

Tok v motore cestuje z rotora cez vzduchovú medzeru k statoru a cez vzduchovú medzeru sa vracia späť do rotora, aby dokončil poľnú slučku. Na tejto dráhe tok vidí rôzne neochoty (magnetický odpor). Laminácie (oceľ) majú veľmi nízku reluktanciu kvôli vysokému μ _r (relatívna permeabilita ocele je v rozmedzí tisícov), zatiaľ čo vzduchová medzera má veľmi vysokú reluktanciu (μ _r je približne 1).

MMF (magnetomotorická sila) vyvíjaná na oceľ je veľmi malá, pretože má zanedbateľnú neochotu v porovnaní so vzduchovou medzerou. (Analógový s elektrickým obvodom by bol: Zdroj napätia (magnet) poháňa prúd (tok) cez odpor (neochota vzduchovej medzery). Vodiče (oceľové) pripojené k odporu majú veľmi nízky odpor a pokles napätia môžeme ignorovať. (Pokles MMF). Štruktúra statorovej a rotorovej ocele má teda zanedbateľný vplyv a celý MMF sa vyvíja naprieč účinnou neochotou vzduchovej medzery (akýkoľvek neželezný materiál v dráhe toku sa považuje za relatívnu permeabilitu rovnajúcu sa priepustnosti vzduchovej medzery).. Dĺžka vzduchovej medzery je v porovnaní s priemerom rotora zanedbateľná a dá sa bezpečne predpokladať, že tok z rotora je kolmý na stator.Kvôli drážkam a zubom existujú okrajové efekty a ďalšie nelinearity, ktoré sa však pri modelovaní stroja všeobecne ignorujú. (NEMÔŽETE ich ignorovať pri navrhovaní stroja). Tok vo vzduchovej medzere však nie je daný iba tokom rotora (magnety v prípade stroja s permanentnými magnetmi). K toku prispieva aj prúd v statorovej cievke. Je to interakcia týchto 2 tokov, ktorá určí krútiaci moment pôsobiaci na motor. A termín, ktorý ho popisuje, sa nazýva efektívne spojenie toku vzduchovou medzerou. Nejde o to ísť do matematiky a odvodzovať rovnice, ale vziať si dva body:Tok vo vzduchovej medzere však nie je daný iba tokom rotora (magnety v prípade stroja s permanentnými magnetmi). K toku prispieva aj prúd v statorovej cievke. Je to interakcia týchto 2 tokov, ktorá určí krútiaci moment pôsobiaci na motor. A termín, ktorý ho popisuje, sa nazýva efektívne spojenie toku vzduchovou medzerou. Nejde o to ísť do matematiky a odvodzovať rovnice, ale vziať si dva body:Tok vo vzduchovej medzere však nie je daný iba tokom rotora (magnety v prípade stroja s permanentnými magnetmi). K toku prispieva aj prúd v statorovej cievke. Je to interakcia týchto 2 tokov, ktorá určí krútiaci moment pôsobiaci na motor. A termín, ktorý ho popisuje, sa nazýva efektívne spojenie toku vzduchovou medzerou. Nejde o to ísť do matematiky a odvodzovať rovnice, ale vziať si dva body:

Zaujíma nás iba tok vzduchovej medzery, keď sa cez ňu vyvíja celý MMF.
Účinné prepojenie toku vo vzduchovej medzere je spôsobené statorovým prúdom aj tokom rotora (magnety) a interakcia medzi nimi vytvára krútiaci moment.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje rotor a stator rôznych typov motorov. Bolo by zaujímavé zistiť, ktoré z nich sú hlavné a ktoré nie?

Poznámka: V každom z týchto motorov sú označené dve osi - D a Q. (Osa Q je magnetická os a os D je na ňu elektricky kolmá). K osi D a Q sa vrátime v budúcich článkoch. Pre vyššie uvedenú otázku to nie je dôležité.

Odpoveď:

A, B..

V tomto bode ukončíme tento článok. Mohlo sa diskutovať o oveľa viac matematike a modelovaní strojov, ale tu by to bolo príliš zložité. Prebrali sme väčšinu tém, ktoré sú potrebné na pochopenie ovládania motora. Ďalšia séria článkov sa priamo presunie do oblasti Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening a všetkých praktických hardvérových a softvérových aspektov, kde by ste sa možno mohli zaseknúť, hneď ako začnete s návrhom ovládača.