Основи мотора - теорија и закони за пројектовање мотора

Да ли сте се икад запитали како се окреће мотор? О чему се ради? Како се контролише? Мотори са четкицом за једносмерну струју на тржишту су већ дуго времена и лако се окрећу само на једносмерном напајању / батерији, док индукциони мотори и синхрони мотори са трајним магнетима укључују сложену електронику и теорију управљања да би их ефикасно ротирали. Пре него што уопште дођемо до тога шта је једносмерни мотор или који су други типови мотора, важно је разумети рад линеарног мотора - најосновнијег мотора. То ће нам помоћи да разумемо основе иза којих се окреће мотор.

Ја сам инжењер енергетске електронике и управљања мотором и следећи блог би био о управљању мотором. Али постоје одређене теме које је неопходно разумети пре уласка у дубину управљања мотором, а ми ћемо их покрити у овом чланку.

Рад линеарног мотора
Врсте мотора и њихова историја
Издвојеност
Интеракција протока између статора и ротора

Рад линеарног мотора

Будући да сам инжењер енергетске електронике, нисам знао много о раду мотора. Прочитао сам многе белешке, књиге и препоручене видео записе. Тешко сам разумео неке моторе и њихову дубинску контролу док се нисам поново осврнуо на основне електро-механичке законе о претворби енергије - Фарадаи-ов и Лорентзов закон о сили. Провешћемо неко време разумевајући ове законе. Неки од вас то можда већ знају, али добро је још једном проћи кроз њих. Можда научите нешто ново.

Фарадејев закон

Фарадејев закон индукције наводи однос између флукса калема жице и напона индукованог у њему.

е (т) = -дφ / дт… (1)

Где Φ представља ток у калему. Ово је једна од основних једначина која се користи за извођење електричног модела мотора. Та се ситуација не дешава код практичних мотора, јер би се завојница састојала од одређеног броја завоја, распоређених у свемиру и морали бисмо да узмемо у обзир ток кроз сваки од ових завоја. Термин везивање флукса (λ) представља укупан ток повезан са свим калемима и дат је следећом једначином

Репресентс _н представља ток повезан са н- ^том завојницом, а Н је број завоја. Може се описати како је калем сачињен од Н појединачних завоја у серијској конфигурацији. Тако,

λ = Нφ е (т) = -дλ / дт = -Ндφ / дт

Знак минус обично се приписује Ленцовом закону.

Ленцов закон каже следеће: ЕМФ (електромоторна сила) индукује се у калему жице ако се флукс повезан са њом промени. Поларитет ЕМФ-а је такав да би се струја која тече у њему супротставила промени флукса која је индуковала ЕМФ ако би се преко њега протекао отпорник.

Хајде да разумемо Ленцов закон кроз проводник (штап) смештен у магнетно поље (Б) окренуту надоле у раван папира како је приказано на горњој слици. _{Примењена} сила Ф помера штап хоризонтално, али је штап увек у контакту са хоризонталним проводницима. Спољни отпорник Р користи се као разводник за омогућавање струје. Дакле, распоред делује попут једноставног електричног кола са извором напона (индуковани ЕМФ) и отпорником. Флукс повезан са овом петљом се мења како се повећава површина повезана са Б. Ово индукује ЕМФ у колу у складу са Фарадејевим законом (о величини се одлучује брзином промене флукса) и Лензовим законом (поларитет је одлучен такав да ће се индукована струја супротставити промени флукса).

Правило палца десне руке помоћи ће нам да сазнамо смер струје. Ако увијемо прсте у смеру индуковане струје, тада ће палац дати смер генерисаног поља од те индуковане струје. У овом случају, да бисмо се супротставили растућем флуксу због поља Б, морамо да развијемо поље поље изван равни папира, па ће струја тећи у смеру супротном од кретања казаљке на сату. Као резултат, терминал А је позитивнији од терминала Б. Са становишта оптерећења, позитиван ЕМФ се развија са повећањем флукса и стога ћемо једначину написати као

е (т) = д λ / дт

Приметите да смо занемарили негативни предзнак док пишемо ову једначину са становишта терета. (Сличан случај ће се појавити када почнемо да се бавимо моторима). Коначни електрични круг имаће облик као на доњој слици. Иако је разматрани случај генератора, користили смо конвенцију знакова са моторичке тачке гледишта и поларитет приказан на доњој слици је тачан. (То ће постати очигледно када пређемо на моторни рад).

Индуковани ЕМФ можемо израчунати на следећи начин. Завојница од 1 окрета (у овом случају проводник) произвешће флуксну везу од:

Тамо где А представља површину петље, л је дужина проводника, в је брзина којом се штап креће због примењене силе.

Гледајући горњу једначину, можемо рећи да је величина ЕМФ пропорционална брзини проводника и независна од спољног отпорника. Али спољни отпор ће одредити колика је сила потребна за одржавање брзине (а самим тим и струје). Ова дискусија се наставља у облику Лорентз закона.

Лорентз Лав

Прво ћемо проверити једначину, а затим покушати да је разумемо.

Ф = к. (Е + Вц к Б)

У њему се наводи да када се честица наелектрисања к креће брзином од в _ц у електромагнетном пољу, она доживљава силу. У мотору електрично поље Е није битно. Тако, Ф = к. Вц. Б.

Ако је поље константно са временом током дужине проводника и окомито на њега, горње једначине можемо написати као:

Ф = к. дк / дт. Б = дк / дт. Икс. Б = ил Б = Б. и. л

Показује да је сила која делује на наелектрисање директно пропорционална струји.

Да се вратимо на прву слику, видели смо да примењена спољна сила индукује ЕМФ који индукује струју у отпорнику. Сва енергија се у отпорнику расипа као топлота. Закон о очувању енергије треба да буде задовољен и отуда добијамо:

Ф. в = е. и

Ова једначина представља како се механичка енергија претвара у електричну. Овај распоред се назива линеарни генератор.

Напокон можемо проверити како мотор ради, односно како се електрична енергија претвара у механичку. На доњој слици замењивали смо спољни отпорник са отпорним отпорником кола и сада постоји спољни извор напона који напаја струју. У овом случају приметићемо силу развијену (Ф _{РАЗВИЈЕНО}) дато Лорентзовим законом. Правац силе се може утврдити доњим приказаним правилом десне руке

Тако ради линеарни мотор. Сви мотори су изведени из ових основних принципа. Постоји много детаљних чланака и видео снимака који описују рад четканог једносмерног мотора, мотора без четкица, ПМСМ мотора, индукционих мотора итд. Дакле, нема смисла правити још један чланак који описује рад. Ево везе до неких добрих образовних видео снимака о различитим врстама мотора и њиховом раду.

Историја мотора

Историјски гледано, постојале су три врсте мотора које су биле широко коришћене - комутаторски једносмерни једносмерни, синхрони и индукциони мотори. Многе апликације захтевају променљиву брзину и ДЦ мотори су били широко коришћени. Али увођење тиристора око 1958. године и транзисторска технологија променили су сцену.
Развијени су претварачи који су помогли у ефикасној апликацији за контролу брзине. Транзисторски уређаји могли су се укључивати и искључивати по вољи и омогућавали су рад ПВМ-а. Основне шеме управљања које су раније развијене су В / ф погони за индукционе машине.
Паралелно с тим, трајни магнети су почели да замењују пољске завојнице како би побољшали ефикасност. А употреба претварача заједно са синусоидним машинама са трајним магнетима омогућила је уклањање четкица како би се побољшао животни век и поузданост мотора.
Следећи важан корак био је управљање овим машинама без четкица. Теорију о две реакције (или теорију дк) увео је Андре Блондел у Француској пре 1900. године. Комбинована је са сложеним свемирским векторима што је омогућило прецизно моделирање машине у пролазном и стабилном стању. По први пут, електричне и механичке величине могу бити повезане једна са другом.
Индукциони мотори нису забележили велике промене до 1960. године. Два Немца - Бласцхке и Хассе направили су неке кључне иновације које су довеле до данас чувене векторске контроле индукционих мотора. Векторска контрола се бави прелазним моделом асинхроног мотора, а не стабилним стањем. Поред контроле односа амплитуде напона и фреквенције, он такође контролише и фазу. То је помогло да се индукциони мотор користи у регулацији брзине и серво апликацијама са великом динамиком.
Алгоритам без сензора био је следећи велики корак у контроли ових мотора. Векторска контрола (или теренско оријентисана контрола) захтева познавање положаја ротора. Раније су коришћени сензори за скупе положаје. Способност процене положаја ротора на основу модела мотора омогућила је моторима да раде без икаквих сензора.
Од тада је било врло мало промена. Дизајн мотора и његово управљање више или мање остају исти.

Мотори се развијају од прошлог века. А електроника им је помогла да се користе у различитим апликацијама. Већину електричне енергије која се користи на овом свету троше мотори!

Различите врсте мотора

Мотори се могу класификовати на много различитих начина. Погледаћемо неке од класификација.

Ово је најопштија класификација. Дошло је до велике забуне у вези са АЦ и ДЦ моторима и важно је направити разлику између њих. Држимо се следеће конвенције: мотори којима је потребно напајање наизменичном струјом „на њеним стезаљкама“ називају се наизменичним мотором и који могу радити на једносмерном напајању „на својим стезаљкама“ називају се једносмерни мотори. „На његовим стезаљкама“ је важно јер елиминише какву врсту електронике користи мотор за покретање. На пример: ДЦ мотор без четкица заправо не може да ради директно на напајање једносмерном струјом и потребан му је електронски склоп.

Мотор се може класификовати на основу напајања и на основу комутације - четком или четком, као што је приказано у наставку

Иако не улазим дубоко у дизајн мотора било ког од горе наведених мотора - две су важне теме којима бих желео да се позабавим - издржљивост и интеракција протока ротора са протоком статора.

Издвојеност

На аспекте параметара машине попут производње обртног момента и индуктивности утиче магнетна структура машине (код машина са трајним магнетима). А најосновнији од тог аспекта је истакнутост. Издржљивост је мера промене оклевања са положајем ротора. Све док је ова невољност константна са сваким положајем ротора, машина се назива несталном. Ако се нерад мења са положајем ротора, машина се назива истакнутом.

Зашто је издвојност важно разумети? Зато што истакнути мотор сада може имати два начина за стварање обртног момента. Можемо да искористимо варијације невољности у мотору да произведемо обртни моменат оклевања заједно са магнетним обртним моментом (који производе магнети). Као што је приказано на доњој слици, можемо постићи виши ниво обртног момента за исту струју уз додавање обртног момента невољности. То ће бити случај са ИПМ (унутрашњим перманентним магнетима) моторима. (Постоје мотори који искључиво раде на ефекат невољности, али овде о њима нећемо расправљати.) Следећа тема ће вам помоћи да много боље разумете повезаност флукса и издржљивост.

(Напомена: Напредак углова на доњој слици односи се на фазну разлику између струје статора и флукса ваздушног зазора.)

Флукс интеракција између ротора и статора

Флукс у мотору путује од ротора преко ваздушног размака до статора и поново се враћа кроз ваздушни отвор натраг до ротора да заврши пољску петљу. На том путу флукс види различита одбијања (магнетни отпор). Ламинатни материјали (челик) имају врло ниску одбојност због велике μ _р (релативна пропустљивост челика је у опсегу од хиљада), док ваздушни размак има врло високу одбојност (μ _р је приближно једнак 1).

ММФ (магнетомоторна сила) развијена у челику је врло мала, јер има занемарљиву одбојност у поређењу са ваздушним размаком. (Аналог електричном колу би био: Извор напона (магнет) покреће струју (флукс) кроз отпорник (отпор зрачног зазора). Проводници (челични) повезани на отпорник имају врло мали отпор и можемо занемарити пад напона (ММФ пад) преко њега). Према томе, структура статора и роторског челика има занемарљив утицај, а читав ММФ се развија кроз ефективну отпорност ваздушног зазора (сматра се да сваки обојени материјал на путу флукса има релативну пропустљивост једнаку пропусности ваздушног зазора). Дужина ваздушног зазора је занемарљива у поређењу са пречником ротора и може се сигурно претпоставити да је ток из ротора окомит на статор.Постоје прорези и друге нелинеарности због прореза и зубаца, али они се углавном занемарују у моделирању машине. (НЕ МОЖЕТЕ их игнорисати приликом пројектовања машине). Али флукс у ваздушном зазору не даје само ток ротора (магнети у случају машине са трајним магнетима). Струја у намотају статора такође доприноси протоку. Интеракција ова два флукса ће одредити обртни моменат који делује на мотор. А термин који га описује назива се ефективна веза флукса ваздушног зазора. Идеја није улазити у математику и изводити једначине већ одузети две тачке:Али флукс у ваздушном зазору не даје само ток ротора (магнети у случају машине са трајним магнетима). Струја у намотају статора такође доприноси протоку. Интеракција ова два флукса ће одредити обртни моменат који делује на мотор. А термин који га описује назива се ефективна веза флукса ваздушног зазора. Идеја није улазити у математику и изводити једначине већ одузети две тачке:Али флукс у ваздушном зазору не даје само ток ротора (магнети у случају машине са трајним магнетима). Струја у намотају статора такође доприноси протоку. Интеракција ова два флукса ће одредити обртни моменат који делује на мотор. А термин који га описује назива се ефективна веза флукса ваздушног зазора. Идеја није улазити у математику и изводити једначине већ одузети две тачке:

Забринути смо само за проток у ваздушном зазору, јер је читав ММФ развијен преко њега.
Ефективна веза флукса у ваздушном зазору је последица и струје статора и флукса ротора (магнета) и њихова интеракција производи обртни моменат.

Горња слика приказује ротор и статор различитих типова мотора. Било би занимљиво сазнати који су од њих истакнути, а који не?

Напомена: У сваком од ових мотора означене су две осе - Д и К. (К-ос је магнетна ос, а Д-оса је електрично окомита на њу). У будућим чланцима ћемо се вратити на Д и К осу. За горе наведено питање није важно.

Одговор:

А, Б, Ц - нестални, Д, Е, Ф, Г, Х - истакнути (магнети утичу на опирање у различитом положају ротора, видети доњу слику, у Ј, К - и ротор и статор нису истакнути.

Овим ћемо завршити овај чланак. Могло би се разговарати о много више математике и моделирању машина, али овде би постало превише сложено. Обрадили смо већину тема које су потребне да би се разумело управљање мотором. Следећа серија чланака директно ће се пребацити на теренски оријентисану контролу (ФОЦ), свемирску векторску модулацију (СВМ), проток слабљења и све практичне хардверске и софтверске аспекте у којима ћете можда заглавити када започнете са дизајнирањем контролера.