Grunnleggende om motorer - teori og lover for å designe en motor

Har du noen gang lurt på hvordan en motor spinner? Hva er det grunnleggende? Hvordan styres den? DC-børstede motorer har vært på markedet siden lenge, og de spinner lett på bare en DC-forsyning / batteri, mens induksjonsmotorer og synkronmotorer med permanentmagnet involverer kompleks elektronikk og styringsteori for å rotere dem effektivt. Før vi til og med kommer til hva som er en DC-motor eller hva som er andre typer motorer, er det viktig å forstå driften av lineær motor - den mest grunnleggende motoren. Dette vil hjelpe oss med å forstå det grunnleggende som ligger bak en motorsnurr.

Jeg er ingeniør for kraftelektronikk og motorstyring, og neste blogg vil være om motorstyring. Men det er visse emner som er nødvendige å forstå før du går inn i dypet av motorstyring, og vi vil dekke dem i denne artikkelen.

1. Drift av en lineær motor
2. Motortyper og dens historie
3. Salience
4. Fluks interaksjon mellom statoren og rotoren

Drift av en lineær motor

Å være kraftelektronikkingeniør, visste jeg ikke mye om driften av motorer. Jeg leste mange notater, bøker og refererte videoer. Jeg hadde vanskelig for å forstå noen av motorene og dens kontroll i dybden til jeg igjen henviste til de grunnleggende elektromekaniske energikonverteringslovene - Faraday og Lorentz Force Laws. Vi vil bruke litt tid på å forstå disse lovene. Noen av dere vet det kanskje allerede, men det er godt å gå gjennom dem igjen. Du kan lære noe nytt.

Faradays lov

Faradays induksjonslov sier forholdet mellom strømmen av en trådspole og spenningen indusert i den.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Hvor Φ representerer strømmen i spolen. Dette er en av de grunnleggende ligningene som brukes til å utlede den elektriske modellen til en motor. Denne situasjonen skjer ikke i praktiske motorer, da spolen vil bestå av et antall svinger fordelt i rommet, og vi må redegjøre for strømmen gjennom hver av disse svingene. Begrepet flux linkage (λ) representerer den totale fluxen knyttet til alle spolene, og den er gitt av følgende ligning

Φ _n representerer fluksen forbundet med n ^th spole og N er antall vindinger. Det kan beskrives som spolen er dannet av N enkle svinger i seriekonfigurasjon. Og dermed,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Minustegnet tilskrives vanligvis Lenzs lov.

Lenzs lov sier følgende: En EMF (elektromotorisk kraft) induseres i en trådspole hvis strømmen knyttet til den endres. Polariteten til EMF er slik at hvis en motstand ble shuntet over den, ville strømmen som strømmer i den motsette seg endringen i strømning som induserte EMF.

La oss forstå Lenz-loven gjennom en leder (stang) plassert i et magnetfelt (B̅) som peker nedover i papirets plan som vist over figuren. En kraft F _påført beveger stangen horisontalt, men stangen er alltid i kontakt med de horisontale lederne. Den eksterne motstanden R brukes som en shunt for å la strømmen strømme. Så fungerer arrangementet som en enkel elektrisk krets med en spenningskilde (den induserte EMF) og en motstand. Fluxen som er koblet til denne sløyfen endres ettersom området knyttet til B̅ øker. Dette induserer en EMF i kretsen i henhold til Faradays lov (størrelsen bestemmes av hvor raskt strømmen endres) og Lenzs lov (polariteten bestemmes slik at den induserte strømmen vil motsette seg endringen i strømmen).

Høyre hånd tommelfingerregel vil hjelpe oss med å vite hvilken retning strømmen har. Hvis vi krøller fingrene i retning av den induserte strømmen, vil tommelen gi retningen til det genererte feltet av den induserte strømmen. I dette tilfellet, for å motsette oss den økende strømmen på grunn av B̅-feltet, må vi utvikle et felt et felt ut av papirets plan, og derfor vil strømmen strømme i retning mot urviseren. Som et resultat er terminal A mer positiv enn terminal B. Fra laste synspunkt utvikles en positiv EMF med økende fluks og derfor vil vi skrive ligningen som

e (t) = d λ / dt

Vær oppmerksom på at vi har ignorert det negative tegnet mens vi skriver denne ligningen fra lastens synspunkt. (Et lignende tilfelle vil komme opp når vi begynner å håndtere motorer). Den endelige elektriske kretsen vil ha form som figuren nedenfor. Selv om det omtalte tilfellet er av en generator, har vi brukt skiltkonvensjonen fra motorisk synspunkt, og polariteten vist i figuren nedenfor er riktig. (Det blir tydelig når vi går videre til motoroperasjonen).

Vi kan beregne EMF-indusert som følger. En spole på 1 omdreining (leder i dette tilfellet) vil produsere en fluxbinding av:

Der A representerer sløyfearealet, er l lederens lengde, v er hastigheten som stangen beveger seg med på grunn av den påførte kraften.

Ser vi på ligningen ovenfor, kan vi si at størrelsen på EMF er proporsjonal med lederens hastighet og uavhengig av den eksterne motstanden. Men den eksterne motstanden vil bestemme hvor mye kraft som trengs for å opprettholde hastigheten (og dermed strømmen). Denne diskusjonen videreføres i form av Lorentz Law.

Lorentz Law

Vi vil sjekke ut ligningen først og deretter prøve å forstå den.

F = q. (E + Vc x B)

Den sier at når en partikkel med ladning q beveger seg med en hastighet v _c i et elektromagnetisk felt, det oppstår en kraft. I en motor er det elektriske feltet E ikke relevant. Og dermed, F = q. Vc. B

Hvis feltet er konstant med tiden over lederens lengde og vinkelrett på det, kan vi skrive ligningene ovenfor som:

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

Det viser at kraften som virker på ladningen er direkte proporsjonal med strømmen.

Tilbake til første figur har vi sett at en ekstern kraft påført induserer en EMF som induserer strøm i en motstand. All energi forsvinner som varme i motstanden. Loven om bevaring av energi bør oppfylles, og derfor får vi:

F. v = e. Jeg

Denne ligningen representerer hvordan mekanisk energi konverteres til elektrisk energi. Dette arrangementet kalles en lineær generator.

Vi kan endelig sjekke ut hvordan en motor går, dvs. hvordan den elektriske energien konverteres til mekanisk energi. I nedenstående figur har vi erstattet den eksterne motstanden med en klumpmotstand i kretsen, og nå er det en ekstern spenningskilde som forsyner strømmen. I dette tilfellet vil vi observere en styrke utviklet (F _UTVIKLET) gitt av Lorentz-loven. Retningen til styrken kan fastsettes av høyrehåndsregelen vist nedenfor

Slik fungerer en lineær motor. Alle motorene er avledet fra disse grunnleggende prinsippene. Det er mange detaljerte artikler og videoer du finner som beskriver driften av børstet DC-motor, børsteløse motorer, PMSM-motorer, induksjonsmotorer osv. Så det gir ikke mening å lage en artikkel til som beskriver operasjonen. Her er lenken til noen av de gode pedagogiske videoene om forskjellige typer motorer og dens drift.

Motors historie

• Historisk har det vært tre typer motorer som har blitt mye brukt - børstekommutator DC, synkron- og induksjonsmotorer. Mange applikasjoner krever varierende hastighet, og DC-motorer ble mye brukt. Men introduksjonen av tyristorer rundt 1958 og transistorteknologien endret scenen.
• Omformere ble utviklet som hjalp til med en effektiv hastighetskontrollapplikasjon. Transistorenhetene kan slås på og av etter eget ønske, og det tillot PWM-drift. De grunnleggende kontrollskjemaene som ble utviklet tidligere var V / f-stasjoner for induksjonsmaskiner.
• Parallelt begynte permanente magneter å erstatte feltspoler for å forbedre effektiviteten. Og bruken av inverter sammen med sinusformede maskiner med permanent magnet tillot eliminering av børster for å forbedre motorens levetid og pålitelighet.
• Det neste store trinnet var i kontrollen av disse børsteløse maskinene. To-reaksjonsteorien (eller dq-teorien) ble introdusert av Andre Blondel i Frankrike før 1900. Den ble kombinert med komplekse romvektorer som gjorde det mulig å modellere en maskin nøyaktig i forbigående og stabil tilstand. For første gang kunne de elektriske og mekaniske mengdene være relatert til hverandre.
• Induksjonsmotorer så ikke store endringer før i 1960. To tyskere - Blaschke og Hasse gjorde noen viktige nyvinninger som førte til den nå berømte vektorkontrollen av induksjonsmotorer. Vektorkontroll håndterer den forbigående modellen til induksjonsmotoren i stedet for stabil tilstand. Foruten å kontrollere spenningsamplituden til frekvensforholdet, styrer den også fasen. Dette hjalp induksjonsmotoren til å brukes i hastighetskontroll og servoapplikasjoner med høy dynamikk.
• Den sensorfrie algoritmen var det neste store trinnet i kontroll av disse motorene. Vektorkontroll (eller feltorientert kontroll) krever å vite rotorposisjonen. Dyre posisjonsfølere ble brukt tidligere. Evnen til å estimere rotorposisjonen basert på motormodellen tillot motorene å kjøre uten sensorer.
• Det har vært veldig få endringer siden den gang. Motordesignet og kontrollen forblir mer eller mindre det samme.

Motorer har utviklet seg siden forrige århundre. Og elektronikk har hjulpet dem til å bli brukt i forskjellige applikasjoner. Flertallet av strøm brukt i denne verdenen forbrukes av motorer!

Ulike typer motorer

Motorene kan klassifiseres på mange forskjellige måter. Vi vil se på noen av klassifiseringene.

Dette er den mest generelle klassifiseringen. Det har vært mye forvirring angående AC- og DC-motorer, og det er viktig å skille mellom dem. La oss holde oss til følgende konvensjon: motorene som krever en vekselstrømforsyning 'på terminalene' kalles en vekselstrømsmotor, og som kan kjøre på en likestrømforsyning 'ved dens terminaler' kalles en likestrømsmotor. 'På terminalene' er viktig fordi det eliminerer hva slags elektronikk som brukes til å kjøre motoren. For eksempel: Den børsteløse likestrømsmotoren kan faktisk ikke kjøre direkte på likestrømforsyningen, og den krever en elektronisk krets.

Motoren kan klassifiseres basert på strømforsyning og basert på pendling - børstet eller børsteløst, som vist nedenfor

Selv om jeg ikke går dypt inn i motordesignet til noen av de ovennevnte motorene - Det er to viktige temaer som jeg vil forholde meg til - Salience and Interaction of Rotor Flux with Stator Flux.

Salience

Aspekter av maskinparametere som dreiemomentproduksjon og induktans påvirkes av maskinens magnetiske struktur (i maskiner med permanent magnet). Og det mest grunnleggende av dette aspektet er skarpheten. Salience er mål på endring i motvilje med rotorposisjon. Så lenge denne motviljen er konstant i hver rotorposisjon, kalles maskinen ikke-fremtredende. Hvis motviljen endrer seg med rotorposisjonen, kalles maskinen fremtredende.

Hvorfor er viktig å forstå? Fordi en fremtredende motor nå kan ha to metoder for å produsere dreiemoment. Vi kan dra nytte av motstandsvariasjoner i motoren for å produsere motstandsdreiemoment sammen med det magnetiske dreiemomentet (produsert av magneter). Som vist i figuren nedenfor kan vi oppnå høyere dreiemomentnivåer for samme strøm med tillegg av motstandsdreiemoment. Dette vil være tilfelle med IPM-motorer (Interior Permanent Magnet). (Det er motorer som utelukkende arbeider med motviljeeffekt, men vi vil ikke diskutere dem her.) Det neste emnet vil hjelpe deg å forstå flukskobling og effektivitet mye bedre.

(Merk: Vinkelforskudd under figuren refererer til faseforskjellen mellom statorstrømmen og luftspalten.)

Fluks interaksjon mellom rotoren og statoren

Flux i en motor beveger seg fra rotoren over luftspalten til statoren og kommer tilbake igjen gjennom luftspalten tilbake til rotoren for å fullføre feltløkken. I den banen ser strømmen forskjellige motvilligheter (magnetisk motstand). Laminer (stål) har en veldig lav motstand på grunn av høy μ _r (relativ permeabilitet av stål er i området tusenvis), mens luftspalten har en veldig høy motstand (μ _r er omtrent lik 1).

MMF (magnetomotive force) utviklet på tvers av stålet er veldig mindre ettersom den har ubetydelig motvilje sammenlignet med luftspalten. (En analog til den elektriske kretsen vil være: En spenningskilde (magnet) driver strøm (flux) gjennom en motstand (luftspaltretuktans). Ledere (stål) koblet til motstanden har veldig lav motstand og vi kan ignorere spenningsfallet (MMF-dråpe) over den). Dermed har strukturen til statoren og rotorstål en ubetydelig innflytelse, og hele MMF utvikles over effektiv luftspaltevilje (ethvert ikke-jernholdig materiale i flussbanen anses å ha en relativ permeabilitet lik den for luftspalten). Luftgapslengden er ubetydelig sammenlignet med rotordiameteren, og det kan med sikkerhet antas at strømmen fra rotoren er vinkelrett på statoren.Det er frynsevirkninger og andre ikke-lineariteter på grunn av spalter og tenner, men disse blir generelt ignorert ved modellering av maskinen. (Du KAN IKKE ignorere dem når du designer maskinen). Men strømmen i luftspalten er ikke bare gitt av rotorfluksen (magneter i tilfelle permanentmagnetmaskin). Strømmen i statorspolen bidrar også til strømmen. Det er samspillet mellom disse to strømningene som vil bestemme dreiemomentet som virker på motoren. Og begrepet som beskriver det kalles den effektive luftspalten. Tanken er ikke å gå inn i matematikk og utlede ligningene, men å ta bort to poeng:Men strømmen i luftspalten er ikke bare gitt av rotorfluksen (magneter i tilfelle permanentmagnetmaskin). Strømmen i statorspolen bidrar også til strømmen. Det er samspillet mellom disse to strømningene som vil bestemme dreiemomentet som virker på motoren. Og begrepet som beskriver det kalles den effektive luftspalten. Tanken er ikke å gå inn i matematikk og utlede ligningene, men å ta bort to poeng:Men strømmen i luftspalten er ikke bare gitt av rotorfluksen (magneter i tilfelle permanentmagnetmaskin). Strømmen i statorspolen bidrar også til strømmen. Det er samspillet mellom disse to strømningene som vil bestemme dreiemomentet som virker på motoren. Og begrepet som beskriver det kalles den effektive luftspalten. Tanken er ikke å gå inn i matematikk og utlede ligningene, men å ta bort to poeng:

• Vi er bare opptatt av strømmen i luftspalten ettersom hele MMF er utviklet over den.
• Den effektive strømningsforbindelsen i luftspalten skyldes både statorstrømmen og rotorfluksen (magneter), og samspillet mellom dem produserer dreiemoment.

Figuren over viser rotoren og statoren til forskjellige typer motorer. Det ville være interessant å finne ut hvilke av dem som er fremtredende og hvilke som ikke er det?

Merk: I hver av disse motorene er to akser merket - D og Q. (Q-aksen er den magnetiske aksen og D-aksen er elektrisk vinkelrett på den). Vi kommer tilbake til D- og Q-aksen i fremtidige artikler. Det er ikke viktig for ovennevnte spørsmål.

Svar:

A, B, C - ikke-fremtredende, D, E, F, G, H - fremtredende (magnetene påvirker motviljen i annen rotorposisjon, se figur nedenfor, i J, K - både rotoren og statoren er ikke-fremtredende.

Vi vil avslutte denne artikkelen på dette tidspunktet. Mye mer matematikk og maskinmodellering kunne vært diskutert, men det ville blitt for komplisert her. Vi har dekket de fleste temaene som er nødvendige for å forstå kontrollen til en motor. Den neste artikelserien vil direkte flytte til Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening, og alle praktiske maskinvare- og programvareaspekter der du muligens kan bli sittende fast når du begynner å designe kontrolleren.