A motorok alapjai - elmélet és törvények a motor tervezéséhez

Elgondolkozott már azon, hogyan forog a motor? Melyek az alapjai? Hogyan ellenőrzik? Az egyenáramú szálcsiszolt motorok hosszú ideje vannak a piacon, és egyszerűen csak egyenáramú tápegységen / akkumulátoron forognak, míg az indukciós motorok és az állandó mágneses szinkron motorok összetett elektronikát és vezérléselméletet tartalmaznak a hatékony forgatáshoz. Mielőtt rátérnénk arra, hogy mi az egyenáramú motor vagy milyen más típusú motor, fontos megérteni a lineáris motor - a legalapvetőbb motor - működését. Ez segít megérteni a motoros pörgés alapjait.

Teljesítmény-elektronikai és motorvezérlő mérnök vagyok, és a következő blog a motorvezérlésről szól. De vannak bizonyos témák, amelyek megértéséhez szükséges a motorvezérlés mélysége, és ebben a cikkben foglalkozunk velük.

1. Lineáris motor működése
2. A motorok típusai és története
3. Ízesség
4. Flux kölcsönhatás az állórész és a rotor között

Lineáris motor működése

Nagy teljesítményű elektronikai mérnök lévén nem sokat tudtam a motorok működéséről. Sok feljegyzést, könyvet és hivatkozott videót olvastam. Nehezen értettem egyes motorokat és azok vezérlését mélységesen, amíg ismét nem utaltam az alapvető elektromechanikus energiaátalakítási törvényekre - a Faraday és a Lorentz Erőtörvényekre. El fogunk tölteni egy kis időt ezen törvények megértésével. Lehet, hogy néhányan már tudják, de jó, ha még egyszer átéljük őket. Lehet, hogy tanul valami újat.

Faraday törvénye

Faraday indukciós törvénye kimondja a huzaltekercs fluxusa és a benne indukált feszültség kapcsolatát.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Ahol Φ a tekercsben lévő fluxust jelenti. Ez az egyik alapvető egyenlet, amelyet a motor elektromos modelljének levezetésére használnak. Ez a helyzet a gyakorlati motorokban nem fordul elő, mivel a tekercs számos, térben elosztott fordulatból állna, és számolnunk kell az egyes fordulatokon átáramló fluxussal. A fluxuskapcsolás (λ) kifejezés az összes tekercshez kapcsolt teljes fluxust jelenti, és a következő egyenlet adja meg

Φ _n az n- ^edik tekercshez kapcsolt fluxust jelenti, N pedig a fordulatok számát. Leírható, hogy a tekercs N egyetlen fordulatból áll, soros konfigurációban. Így,

λ = Nφe (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

A mínuszjelet általában Lenz törvényének tulajdonítják.

Lenz törvénye a következőket mondja ki: EMF (elektromotoros erő) indukálódik egy huzaltekercsben, ha a hozzá kapcsolt fluxus megváltozik. Az EMF polaritása olyan, hogy ha egy ellenállást tolnak át rajta, akkor a benne áramló áramlás ellenállna a fluxus változásának, amely az EMF-et indukálja.

Értsük meg a Lenz-törvényt egy mágneses mezőbe (B̅) helyezett vezetőn (rúdon) keresztül, amely lefelé mutat a papír síkjában, amint azt a fenti ábra mutatja. F erőt _alkalmazva mozog a rúd vízszintesen, hanem a rúd mindig érintkezik a vízszintes vezetékek. Az R külső ellenállást söntként használják, hogy az áram áramolhasson. Tehát az elrendezés úgy működik, mint egy egyszerű elektromos áramkör, feszültségforrással (az indukált EMF) és ellenállással. Az ehhez a hurokhoz kapcsolt fluxus változik, ahogy a B̅-hez kapcsolódó terület növekszik. Ez EMF-et indukál az áramkörben a Faraday-törvény (a nagyságrendet az határozza meg, hogy milyen gyorsan változik a fluxus) és Lenz-törvény szerint (a polaritást úgy döntik el, hogy az indukált áram ellenáll a fluxus változásának).

A jobbkezes hüvelykujj-szabály segít megismerni az áram irányát. Ha az indukált áram irányába tekerjük ujjainkat, akkor a hüvelykujj megadja a generált mező irányát az indukált áram által. Ebben az esetben, hogy szembeszállhassunk a B op mező miatt növekvő fluxussal, ki kell alakítanunk egy mezőt egy mezőt a papír síkjából, és így az áram az óramutató járásával ellentétes irányban fog áramlani. Ennek eredményeként az A terminál pozitívabb, mint a B terminál. Terhelési szempontból pozitív EMF alakul ki növekvő fluxussal, ezért az egyenletet

e (t) = d λ / dt

Figyeljük meg, hogy figyelmen kívül hagytuk a negatív előjelet, amikor ezt az egyenletet a terhelés szempontjából írjuk. (Hasonló eset akkor fog felmerülni, amikor motorokkal kezdünk foglalkozni). A végső elektromos áramkör az alábbi ábrán jelenik meg. Annak ellenére, hogy a tárgyalt eset generátorról van szó, az előjel konvenciót használtuk a motor szempontjából, és az alábbi ábrán látható polaritás helyes. (Nyilvánvalóvá válik, amikor áttérünk a motor működésére).

Az indukált EMF-et a következőképpen számíthatjuk ki. Az 1 fordulatos tekercs (ebben az esetben vezető) a következők fluxus-összeköttetését eredményezi:

Ahol A a hurok területét jelenti, l a vezető hossza, v az a sebesség, amellyel a rúd mozog az alkalmazott erő miatt.

A fenti egyenletre tekintve azt mondhatjuk, hogy az EMF nagysága arányos a vezető sebességével és független a külső ellenállástól. De a külső ellenállás határozza meg, hogy mekkora erőre van szükség a sebesség (és így az áram) fenntartásához. Ezt a vitát Lorentz Law formájában folytatják.

Lorentz törvény

Először megnézzük az egyenletet, majd megpróbáljuk megérteni.

F = q. (E + Vc x B)

Megállapítja, hogy amikor egy q töltésrészecske v _c sebességgel mozog egy elektromágneses mezőben, akkor erőt tapasztal. Egy motorban az E elektromos mező lényegtelen. Így, F = q. Vc. B

Ha a tér a vezető hossza alatt állandó és merőleges, akkor a fenti egyenleteket a következőképpen írhatjuk fel:

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

Ez azt mutatja, hogy a töltésre ható erő egyenesen arányos az árammal.

Vissza az első ábrához láttuk, hogy egy alkalmazott külső erő indukál egy EMF-et, amely áramot indukál egy ellenállásban. Az összes energiát hőként elvezetik az ellenállásba. Az energiamegmaradás törvényének teljesülnie kell, és így megkapjuk:

F. v = e. én

Ez az egyenlet azt ábrázolja, hogyan alakul a mechanikai energia elektromos energiává. Ezt az elrendezést lineáris generátornak nevezzük.

Végül megnézhetjük, hogyan működik egy motor, azaz hogyan alakul az elektromos energia mechanikai energiává. Az alábbi ábrán a külső ellenállást lecseréltük az áramkör összesített ellenállására, és most van egy külső feszültségforrás, amely az áramot szolgáltatja. Ebben az esetben a Lorentz-törvény által kifejlesztett (F _FEJLETT) erőt fogjuk megfigyelni. Az erő irányát az alább látható jobboldali szabály állapíthatja meg

Így működik egy lineáris motor. Az összes motor ezekből az alapelvekből származik. Sok részletes cikk és videó található, amelyek leírják a szálcsiszolt egyenáramú motor, a kefe nélküli motorok, a PMSM motorok, az indukciós motorok stb. Működését. Tehát nincs értelme még egy cikket leírni a műveletről. Itt található a link a jó típusú oktató videókra, amelyek a különböző motorokról és azok működéséről szólnak.

A motorok története

• Történelmileg három típusú motor létezett, amelyeket széles körben használtak - kefés kommutátoros DC, szinkron és indukciós motorok. Sok alkalmazás változó fordulatszámú motort igényel, és széles körben használták az egyenáramú motorokat. De a tirisztorok 1958 körüli bevezetése és a tranzisztortechnika megváltoztatta a helyzetet.
• Invertereket fejlesztettek ki, amelyek elősegítették a hatékony sebességszabályozási alkalmazást. A tranzisztoros eszközöket tetszés szerint ki lehetett kapcsolni, és ez lehetővé tette a PWM működését. A korábban kidolgozott alapvető szabályozási rendszerek az indukciós gépek V / f hajtásai voltak.
• Ezzel párhuzamosan állandó mágnesek kezdték cserélni a terepi tekercseket a hatékonyság javítása érdekében. Az inverter és a szinuszos állandó mágneses gépek használata lehetővé tette a kefék kiküszöbölését, hogy javuljon a motor élettartama és megbízhatósága.
• A következő nagy lépés ezen kefe nélküli gépek irányítása volt. A két reakció elméletet (vagy dq elméletet) Andre Blondel vezette be Franciaországban 1900 előtt. Összetett űrvektorokkal kombinálták, amelyek lehetővé tették a gép pontos átmeneti és stabil állapotban történő modellezését. Az elektromos és a mechanikai mennyiségek most először kapcsolódhattak egymáshoz.
• Az indukciós motorok 1960-ig nem tapasztaltak nagy változásokat. Két német - Blaschke és Hasse - olyan kulcsfontosságú újításokat hajtott végre, amelyek az indukciós motorok mára híres vektorvezérléséhez vezettek. A vektoros vezérlés az indukciós motor tranziens modelljével foglalkozik, nem pedig az állandósult állapotgal. A feszültség amplitúdó és a frekvencia arány szabályozása mellett a fázist is vezérli. Ez segítette az indukciós motort a sebességszabályozásban és a nagy dinamikájú szervo alkalmazásokban.
• Az érzékelők nélküli algoritmus volt a következő nagy lépés ezen motorok irányításában. A vektorvezérléshez (vagy terepi irányításhoz) meg kell ismerni a rotor helyzetét. Korábban drága helyzetérzékelőket használtak. A rotor helyzetének a motormodell alapján történő becslésének képessége lehetővé tette, hogy a motorok szenzorok nélkül működjenek.
• Azóta nagyon kevés változás történt. A motor kialakítása és vezérlése nagyjából ugyanaz marad.

A motorok a múlt század óta fejlődtek. Az elektronika pedig segítette őket különböző alkalmazásokban való felhasználásban. A világban felhasznált villamos energia nagy részét a motorok fogyasztják!

Különböző típusú motorok

A motorokat nagyon sokféleképpen lehet osztályozni. Megvizsgáljuk az osztályozásokat.

Ez a legáltalánosabb osztályozás. Sok zavar van a váltakozó és egyenáramú motorokkal kapcsolatban, és fontos különbséget tenni közöttük. Maradjunk a következő megegyezésnél: azokat a motorokat, amelyeknek váltakozó áramú tápfeszültségre van szükségük a "termináljainál", váltakozó áramú motornak nevezzük, és amelyek "a kapcsain" egyenáramú tápfeszültségre képesek működni, DC motornak nevezzük. A „termináljainál” azért fontos, mert kiküszöböli, hogy milyen elektronikával működtesse a motort. Például: A kefe nélküli egyenáramú motor valójában nem működhet közvetlenül egyenáramú tápegységen, és ehhez elektronikus áramkörre van szükség.

A motor az áramellátás és a kommutáció alapján osztályozható - kefe vagy kefe nélküli, az alábbiak szerint

Bár nem foglalkozom mélyen a fenti motorok egyikének tervezésével - Két fontos témával szeretnék foglalkozni - a rotor fluxusának szalicitása és kölcsönhatása az állórész fluxussal.

Ízesség

A gépi paraméterek szempontjait, például a nyomatéktermelést és az induktivitást a gép mágneses szerkezete befolyásolja (állandó mágneses gépeknél). És ennek a szempontnak a legalapvetőbb az áshatás. A szalicitás a rotor helyzetével szembeni vonakodás változásának mértéke. Amíg ez a vonakodás a rotor minden helyzetében állandó, addig a gépet nem kiemelkedőnek nevezzük. Ha a vonakodás a rotor helyzetével változik, akkor a gépet kiemelkedőnek nevezik.

Miért fontos megérteni az ásványosságot? Mivel a szembetűnő motornak most két módja lehet a nyomaték előállítására. Kihasználhatjuk a motor reluktanciaváltozását, hogy a (mágnesek által előállított) mágneses nyomatékkal együtt vonzási nyomatékot állítsunk elő. Amint az az alábbi ábrán látható, nagyobb nyomatékszinteket érhetünk el ugyanarra az áramra a reluktancia nyomaték hozzáadásával. Ez az IPM (belső állandó mágnes) motorok esetében is így lesz. (Vannak olyan motorok, amelyek pusztán a vonakodás hatásán dolgoznak, de itt nem tárgyaljuk őket.) A következő témakör segít sokkal jobban megérteni a fluxus összekapcsolódását és a szalicitást.

(Megjegyzés: Az alábbi ábra szögetovábbítása az állórész áramának és a légrés fluxusának fáziskülönbségére utal.)

Fluxus kölcsönhatása a rotor és az állórész között

A motor fluxusa a rotortól a légrésen át az állórészig halad, és a légrésen keresztül visszatér vissza a rotorhoz, hogy teljes legyen a terepi hurok. Ezen az úton a fluxus különböző reluktivitásokat (mágneses ellenállást) lát. A laminálás (acél) nagyon alacsony vonakodási képességgel rendelkezik a magas μ _{r miatt} (az acél relatív permeabilitása ezer tartományban van), míg a légrésnek nagyon nagy a vonakodása (μ _r körülbelül 1-nek felel meg).

Az acélon kialakult MMF (magnetomotorikus erő) sokkal kisebb, mivel elhanyagolható vonakodása van a légréshez képest. (Az elektromos áramkör analógja: A feszültségforrás (mágnes) áramot (fluxust) vezet át egy ellenálláson (légrés-reluktancia). Az ellenálláshoz kapcsolt vezetők (acél) nagyon alacsony ellenállással rendelkeznek, és figyelmen kívül hagyhatjuk a feszültségesést (MMF-esés). Így az állórész és a forgórész acéljának elenyésző hatása van, és a teljes MMF a tényleges légrés-vonakodáson keresztül alakul ki (a fluxus útvonalában lévő bármely színesfém anyag relatív permeabilitása megegyezik a légrésével). A légrés hossza elhanyagolható a rotor átmérőjéhez képest, és nyugodtan feltételezhető, hogy a rotor fluxusa merőleges az állórészre.A rések és a fogak miatt vannak rojtos hatások és egyéb nemlineárisak, de ezeket a gép modellezésénél általában figyelmen kívül hagyják. (A gép tervezésénél NEM hagyhatja figyelmen kívül őket). De a légrés fluxusát nem csak a rotor fluxusa adja (mágnesek állandó mágneses gép esetén). Az állórész tekercsében lévő áram is hozzájárul a fluxushoz. E két fluxus kölcsönhatása határozza meg a motorra ható nyomatékot. Az ezt leíró kifejezést pedig tényleges légrés-fluxus kapcsolásnak nevezzük. Az ötlet nem a matematikába megy, és levezeti az egyenleteket, hanem két pontot vesz el:De a légrés fluxusát nem csak a rotor fluxusa adja (mágnesek állandó mágneses gép esetén). Az állórész tekercsében lévő áram is hozzájárul a fluxushoz. E két fluxus kölcsönhatása határozza meg a motorra ható nyomatékot. Az ezt leíró kifejezést pedig tényleges légrés-fluxus kapcsolásnak nevezzük. Az ötlet nem a matematikába megy, és levezeti az egyenleteket, hanem két pontot vesz el:De a légrés fluxusát nem csak a rotor fluxusa adja (mágnesek állandó mágneses gép esetén). Az állórész tekercsében lévő áram is hozzájárul a fluxushoz. E két fluxus kölcsönhatása határozza meg a motorra ható nyomatékot. Az ezt leíró kifejezést pedig tényleges légrés-fluxus kapcsolásnak nevezzük. Az ötlet nem a matematikába megy, és levezeti az egyenleteket, hanem két pontot vesz el:

• Csak a légrés fluxusával foglalkozunk, mivel a teljes PPA rajta keresztül fejlődik.
• A légrésben a tényleges fluxus-összeköttetés mind az állórész áramának, mind a rotor fluxusának (mágneseknek) köszönhető, és a köztük lévő kölcsönhatás nyomatékot eredményez.

A fenti ábra a különböző típusú motorok rotorját és állórészét mutatja. Érdekes lenne kideríteni, hogy melyikük kiemelkedő és melyik nem?

Megjegyzés: Mindkét motorban két tengely van jelölve - D és Q. (A Q tengely a mágneses tengely, a D tengely pedig elektromosan merőleges rá). A későbbi cikkekben visszatérünk a D és Q tengelyre. A fenti kérdés szempontjából nem fontos.

Válasz:

A, B, C - nem szembetűnő, D, E, F, G, H - kiemelkedő (a mágnesek a rotor különböző helyzetében befolyásolják a vonakodást, lásd az alábbi ábrát, J, K - a rotor és az állórész sem szembetűnő.

Ezen a ponton befejezzük ezt a cikket. Sokkal több matematikáról és gépi modellezésről lehetett volna beszélni, de ez itt túl bonyolulttá válik. Kitértünk a legtöbb olyan témára, amely a motor vezérlésének megértéséhez szükséges. A következő cikksorozat közvetlenül a Mezőorientált vezérlés (FOC), az Űrvektor-moduláció (SVM), a Flux gyengülés és az összes praktikus hardver- és szoftver szempontból fog mozogni, ahol esetleg elakadhat, ha megkezdi a vezérlő tervezését.