Grondbeginselen van motoren - theorie en wetten om een ​​motor te ontwerpen

Ooit afgevraagd hoe een motor draait? Wat zijn de basisprincipes? Hoe wordt het gecontroleerd? De DC-geborstelde motoren zijn al heel lang op de markt en ze draaien gemakkelijk op alleen een DC-voeding / batterij, terwijl de inductiemotoren en synchrone motoren met permanente magneet complexe elektronica en besturingstheorie bevatten om ze efficiënt te roteren. Voordat we zelfs maar komen tot wat een DC-motor is of wat andere soorten motoren zijn, is het belangrijk om de werking van de lineaire motor - de meest basismotor - te begrijpen. Dit zal ons helpen de basisprincipes achter het draaien van een motor te begrijpen.

Ik ben een ingenieur vermogenselektronica en motorbesturing en de volgende blog zou over motorbesturing gaan. Maar er zijn bepaalde onderwerpen die u moet begrijpen voordat u dieper ingaat op motorische controle en we zullen ze in dit artikel behandelen.

1. Werking van een lineaire motor
2. Typen motoren en zijn geschiedenis
3. Saliency
4. Fluxinteractie tussen de stator en de rotor

Werking van een lineaire motor

Als ingenieur vermogenselektronica wist ik niet veel over de werking van motoren. Ik las veel aantekeningen, boeken en verwezen video's. Ik vond het moeilijk om een ​​aantal motoren en de besturing ervan grondig te begrijpen, totdat ik weer verwees naar de fundamentele elektromechanische energieomzettingswetten - Faraday en Lorentz Force Laws. We zullen enige tijd besteden aan het begrijpen van deze wetten. Sommigen van jullie weten het misschien al, maar het is goed om ze nog een keer door te nemen. Misschien leer je iets nieuws.

De wet van Faraday

Faraday's wet van inductie stelt de relatie tussen de flux van een draadspoel en de spanning die erin wordt geïnduceerd.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Waar Φ de flux in de spoel vertegenwoordigt. Dit is een van de fundamentele vergelijkingen die worden gebruikt om het elektrische model van een motor af te leiden. Deze situatie doet zich niet voor in praktische motoren, aangezien de spoel uit een aantal windingen zou bestaan, verdeeld in de ruimte en we zouden rekening moeten houden met de flux door elk van deze windingen. De term fluxkoppeling (λ) vertegenwoordigt de totale flux gekoppeld aan alle spoelen en wordt gegeven door de volgende vergelijking

Φ _n staat voor de flux die is gekoppeld aan de n- ^de spoel en N is het aantal windingen. Het kan worden beschreven als de spoel is gevormd uit N enkele windingen in een serieconfiguratie. Dus,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Het minteken wordt meestal toegeschreven aan de wet van Lenz.

De wet van Lenz stelt het volgende: Een EMF (elektromotorische kracht) wordt geïnduceerd in een draadspiraal als de flux die ermee verbonden is verandert. De polariteit van de EMF is zodanig dat als er een weerstand overheen wordt geleid, de stroom die erin vloeit de verandering in flux zou tegenwerken die die EMF veroorzaakte.

Laten we de wet van Lenz begrijpen via een geleider (staaf) die in een magnetisch veld (B̅) is geplaatst en naar beneden in het vlak van het papier wijst, zoals hierboven weergegeven. Een _uitgeoefende kracht F beweegt de staaf horizontaal, maar de staaf is altijd in contact met de horizontale geleiders. De externe weerstand R wordt gebruikt als een shunt om de stroom te laten stromen. De opstelling werkt dus als een eenvoudig elektrisch circuit met een spanningsbron (de geïnduceerde EMF) en een weerstand. De flux die met deze lus is verbonden, verandert naarmate het gebied dat met de B is verbonden, toeneemt. Dit induceert een EMF in het circuit volgens de wet van Faraday (de grootte wordt bepaald door hoe snel de flux verandert) en de wet van Lenz (de polariteit wordt zodanig bepaald dat de geïnduceerde stroom de verandering van de flux tegenwerkt).

Right Hand Thumb Rule helpt ons de richting van de stroom te kennen. Als we onze vingers krullen in de richting van de geïnduceerde stroom, dan geeft de duim de richting aan van het veld dat door die geïnduceerde stroom wordt gegenereerd. In dit geval, om de toenemende flux als gevolg van B̅-veld tegen te gaan, moeten we een veld ontwikkelen dat een veld uit het vlak van het papier ligt, en daarom zal de stroom tegen de klok in stromen. Als gevolg hiervan is klem A positiever dan klem B. Vanuit het oogpunt van belasting wordt een positieve EMF ontwikkeld met toenemende flux en daarom zullen we de vergelijking schrijven als

e (t) = d λ / dt

Merk op dat we het minteken hebben genegeerd terwijl we deze vergelijking schrijven vanuit het oogpunt van de belasting. (Een soortgelijk geval zal zich voordoen wanneer we met motoren beginnen te werken). Het laatste elektrische circuit krijgt de vorm zoals hieronder afgebeeld. Hoewel het besproken geval een generator betreft, hebben we de tekenconventie vanuit motorisch oogpunt gebruikt en is de polariteit in de onderstaande afbeelding correct. (Het zal duidelijk worden wanneer we verder gaan met de motorbediening).

We kunnen de geïnduceerde EMF als volgt berekenen. Een spoel van 1 omwenteling (geleider in dit geval) zal een fluxkoppeling produceren van:

Waar A staat voor het gebied van de lus, l is de lengte van de geleider, v is de snelheid waarmee de staaf beweegt vanwege de uitgeoefende kracht.

Als we naar bovenstaande vergelijking kijken, kunnen we zeggen dat de grootte van EMF evenredig is met de snelheid van de geleider en onafhankelijk is van de externe weerstand. Maar de externe weerstand zal bepalen hoeveel kracht er nodig is om de snelheid (en dus de stroom) te behouden. Deze discussie wordt voortgezet in de vorm van Lorentz Law.

Lorentz Law

We zullen eerst de vergelijking bekijken en dan proberen deze te begrijpen.

F = q. (E + Vc x B)

Het stelt dat wanneer een ladingsdeeltje q beweegt met een snelheid van v _c in een elektromagnetisch veld, het een kracht ervaart. In een motor is het elektrische veld E niet relevant. Dus, F = q. Vc. B.

Als het veld constant is in de tijd over de lengte van de geleider en er loodrecht op staat, kunnen we de bovenstaande vergelijkingen schrijven als:

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

Het laat zien dat de kracht die op de lading inwerkt, recht evenredig is met de stroom.

Terug naar de eerste afbeelding hebben we gezien dat een externe kracht die wordt uitgeoefend een EMF induceert die stroom in een weerstand induceert. Alle energie wordt als warmte in de weerstand afgevoerd. Aan de wet van behoud van energie moet worden voldaan en daarom krijgen we:

F. v = e. ik

Deze vergelijking geeft weer hoe mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie. Deze opstelling wordt een lineaire generator genoemd.

We kunnen eindelijk kijken hoe een motor loopt, dwz hoe de elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie. In de onderstaande afbeelding hebben we de externe weerstand vervangen door een samengevoegde weerstand van het circuit en nu is er een externe spanningsbron die de stroom levert. In dit geval zullen we een ontwikkelde kracht observeren (F _ONTWIKKELD) gegeven door de Lorentzwet. De richting van de kracht kan worden bepaald door de rechterhandregel die hieronder wordt weergegeven

Dit is hoe een lineaire motor werkt. Alle motoren zijn afgeleid van deze basisprincipes. Er zijn veel gedetailleerde artikelen en video's die de werking van DC-motoren met borstels, borstelloze motoren, PMSM-motoren, inductiemotoren enz. Beschrijven. Het heeft dus geen zin om nog een artikel over de werking te schrijven. Hier is de link naar enkele van de goede educatieve video's over verschillende soorten motoren en de werking ervan.

Geschiedenis van motoren

• Historisch gezien zijn er drie soorten motoren die op grote schaal zijn gebruikt: borstelcommutator-gelijkstroom-, synchrone en inductiemotoren. Veel toepassingen vereisen een wisselende snelheid en DC-motoren werden veel gebruikt. Maar de introductie van thyristors rond 1958 en de transistortechnologie veranderden de scène.
• Er werden omvormers ontwikkeld die hielpen bij een efficiënte toerentalregelingstoepassing. De transistorapparaten konden naar believen worden in- en uitgeschakeld en maakten PWM-werking mogelijk. De basisbesturingsschema's die eerder werden ontwikkeld, waren V / f-aandrijvingen voor inductiemachines.
• Tegelijkertijd begonnen permanente magneten veldspoelen te vervangen om de efficiëntie te verbeteren. En het gebruik van een inverter samen met sinusoïdale permanentmagneetmachines maakte het mogelijk borstels te elimineren om de levensduur en betrouwbaarheid van de motor te verbeteren.
• De volgende grote stap was de controle over deze borstelloze machines. De twee-reactietheorie (of dq-theorie) werd geïntroduceerd door Andre Blondel in Frankrijk vóór 1900. Het werd gecombineerd met complexe ruimtevectoren die het mogelijk maakten een machine nauwkeurig te modelleren in voorbijgaande en stabiele toestand. Voor het eerst konden de elektrische en mechanische grootheden aan elkaar worden gerelateerd.
• Inductiemotoren ondergingen niet veel veranderingen tot 1960. Twee Duitsers - Blaschke en Hasse hebben enkele belangrijke innovaties doorgevoerd die leidden tot de nu beroemde vectorbesturing van inductiemotoren. Vectorcontrole heeft betrekking op het transiënte model van de inductiemotor in plaats van de stationaire toestand. Naast het regelen van de spanningsamplitude tot frequentieverhouding, regelt het ook de fase. Dit hielp de inductiemotor te worden gebruikt in snelheidsregeling en servotoepassingen met hoge dynamiek.
• Het sensorloze algoritme was de volgende grote stap in de besturing van deze motoren. Vectorbesturing (of veldgeoriënteerde besturing) vereist kennis van de rotorpositie. Eerder werden dure positiesensoren gebruikt. Door de mogelijkheid om de rotorpositie te schatten op basis van het motormodel, konden de motoren zonder sensoren werken.
• Sindsdien zijn er maar weinig wijzigingen aangebracht. Het motorontwerp en de besturing ervan blijven min of meer hetzelfde.

Motoren evolueren sinds de vorige eeuw. En elektronica heeft hen geholpen om in verschillende toepassingen te worden gebruikt. Het grootste deel van de elektriciteit die in deze wereld wordt gebruikt, wordt verbruikt door motoren!

Verschillende soorten motoren

De motoren kunnen op veel verschillende manieren worden ingedeeld. We zullen enkele classificaties bekijken.

Dit is het meest algemene klassement. Er is veel verwarring over AC- en DC-motoren en het is belangrijk om er een onderscheid tussen te maken. Laten we ons aan de volgende conventie houden: de motoren die een AC-voeding 'aan de terminals' nodig hebben, worden een AC-motor genoemd en die kunnen werken op een DC-voeding 'aan de terminals', worden een DC-motor genoemd. 'Op de terminals' is belangrijk omdat het elimineert wat voor soort elektronica wordt gebruikt om de motor te laten draaien. Bijvoorbeeld: de borstelloze gelijkstroommotor kan eigenlijk niet rechtstreeks op gelijkstroom werken en vereist een elektronisch circuit.

De motor kan worden geclassificeerd op basis van voeding en op basis van commutatie - borstel of borstelloos, zoals hieronder weergegeven

Hoewel ik niet diep inga op het motorontwerp van een van de bovenstaande motoren, zijn er twee belangrijke onderwerpen die ik zou willen behandelen - Saliency en interactie van Rotor Flux met Stator Flux.

Saliency

Aspecten van machineparameters zoals koppelproductie en inductantie worden beïnvloed door de magnetische structuur van de machine (in permanentmagneetmachines). En het meest fundamentele van dat aspect is de saillantie. Saliency is de maatstaf voor verandering in onwil met de rotorpositie. Zolang deze tegenzin constant is bij elke positie van de rotor, wordt de machine non-saillant genoemd. Als de tegenzin verandert met de rotorpositie, wordt de machine saillant genoemd.

Waarom is opvallendheid belangrijk om te begrijpen? Omdat een opvallende motor nu twee methoden kan hebben om koppel te produceren. We kunnen profiteren van reluctantievariatie in de motor om reluctantiekoppel samen met het magnetische koppel (geproduceerd door de magneten) te produceren. Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, kunnen we hogere koppelniveaus bereiken voor dezelfde stroom door toevoeging van reluctantiekoppel. Dit zal het geval zijn bij IPM-motoren (Interior Permanent Magnet). (Er zijn motoren die puur werken op het terughoudendheidseffect, maar we zullen ze hier niet bespreken.) Het volgende onderwerp zal u helpen de fluxkoppeling en opvallendheid veel beter te begrijpen.

(Opmerking: Angle Advance in onderstaande afbeelding verwijst naar het faseverschil tussen de statorstroom en de luchtspleetflux.)

Flux-interactie tussen de rotor en de stator

Flux in een motor gaat van de rotor over de luchtspleet naar de stator en komt weer terug door de luchtspleet terug naar de rotor om de veldlus te voltooien. In dat pad ziet de flux verschillende reluctanties (magnetische weerstand). Laminaten (staal) hebben een zeer lage reluctantie vanwege de hoge μ _r (relatieve permeabiliteit van staal ligt in het bereik van duizenden) terwijl de luchtspleet een zeer hoge reluctantie heeft (μ _r is ongeveer gelijk aan 1).

De MMF (magnetomotorische kracht) die over het staal wordt ontwikkeld, is zeer gering omdat deze een verwaarloosbare terughoudendheid heeft in vergelijking met de luchtspleet. (Een analoog aan het elektrische circuit zou zijn: een spanningsbron (magneet) stuurt stroom (flux) door een weerstand (luchtspleet-reluctantie). De geleiders (staal) die op de weerstand zijn aangesloten hebben een zeer lage weerstand en we kunnen de spanningsval negeren (MMF drop) eroverheen). De structuur van het stator- en rotorstaal heeft dus een verwaarloosbare invloed en het gehele MMF wordt ontwikkeld over de effectieve luchtspleet-reluctantie heen (elk non-ferro materiaal in het fluxpad wordt geacht een relatieve permeabiliteit te hebben die gelijk is aan die van luchtspleet). De lengte van de luchtspleet is verwaarloosbaar in vergelijking met de rotordiameter en er kan veilig worden aangenomen dat de flux van de rotor loodrecht op de stator staat.Er zijn randeffecten en andere niet-lineariteiten vanwege sleuven en tanden, maar deze worden over het algemeen genegeerd bij het modelleren van de machine. (Je kunt ze NIET negeren bij het ontwerpen van de machine). Maar de flux in de luchtspleet wordt niet alleen gegeven door de rotorflux (magneten in het geval van een permanentmagneetmachine). De stroom in de statorspoel draagt ​​ook bij aan de flux. Het is de interactie van deze 2 fluxen die het koppel bepalen dat op de motor inwerkt. En de term die het beschrijft, wordt de effectieve luchtspleetfluxkoppeling genoemd. Het idee is niet om in de wiskunde te gaan en de vergelijkingen af ​​te leiden, maar om twee punten weg te nemen:Maar de flux in de luchtspleet wordt niet alleen gegeven door de rotorflux (magneten in het geval van een permanentmagneetmachine). De stroom in de statorspoel draagt ​​ook bij aan de flux. Het is de interactie van deze 2 fluxen die het koppel bepalen dat op de motor inwerkt. En de term die het beschrijft, wordt de effectieve luchtspleetfluxkoppeling genoemd. Het idee is niet om in de wiskunde te gaan en de vergelijkingen af ​​te leiden, maar om twee punten weg te nemen:Maar de flux in de luchtspleet wordt niet alleen gegeven door de rotorflux (magneten in het geval van een permanentmagneetmachine). De stroom in de statorspoel draagt ​​ook bij aan de flux. Het is de interactie van deze 2 fluxen die het koppel bepalen dat op de motor inwerkt. En de term die het beschrijft, wordt de effectieve luchtspleetfluxkoppeling genoemd. Het idee is niet om in de wiskunde te gaan en de vergelijkingen af ​​te leiden, maar om twee punten weg te nemen:

• We houden ons alleen bezig met de flux in de luchtspleet, aangezien het hele MMF eroverheen wordt ontwikkeld.
• De effectieve fluxkoppeling in de luchtspleet is te wijten aan zowel de statorstroom als de rotorflux (magneten) en de interactie daartussen produceert koppel.

De bovenstaande afbeelding toont de rotor en stator van verschillende soorten motoren. Het zou interessant zijn om erachter te komen welke van hen saillant zijn en welke niet?

Opmerking: in elk van deze motoren zijn twee assen gemarkeerd - D en Q. (Q-as is de magnetische as en de D-as staat er elektrisch loodrecht op). We komen in toekomstige artikelen terug op de D- en Q-as. Het is niet belangrijk voor de bovenstaande vraag.

Antwoord:

A, B, C - niet saillant, D, E, F, G, H - saillant (de magneten beïnvloeden de tegenzin in verschillende rotorposities, zie onderstaande afbeelding, in J, K- zowel de rotor als de stator zijn niet saillant.

We zullen dit artikel op dit punt beëindigen. Er had veel meer wiskunde en machinemodellering kunnen worden besproken, maar het zou hier te complex worden. We hebben de meeste onderwerpen behandeld die nodig zijn om de besturing van een motor te begrijpen. De volgende serie artikelen gaat direct over naar Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Verzwakking en alle praktische hardware- en softwareaspecten waar je mogelijk vastloopt als je eenmaal begint met het ontwerpen van de controller.