Moottoreiden perusteet - teoria ja lait moottorin suunnitteluun

Oletko koskaan miettinyt, kuinka moottori pyörii? Mitkä ovat perustekijät? Kuinka sitä hallitaan? DC-harjatut moottorit ovat olleet markkinoilla jo pitkään, ja ne pyörivät helposti vain tasavirtalähteellä / akulla, kun taas induktiomoottorit ja kestomagneettisynkronimoottorit sisältävät monimutkaisen elektroniikan ja ohjausteorian, jotta niitä voidaan pyörittää tehokkaasti. Ennen kuin pääsemme edes siihen, mikä on tasavirtamoottori tai mitkä ovat muun tyyppisiä moottoreita, on tärkeää ymmärtää lineaarimoottorin - kaikkein perusmoottorin - toiminta. Tämä auttaa meitä ymmärtämään moottorin pyörimisen perustekijät.

Olen tehoelektroniikka- ja moottorinohjausinsinööri, ja seuraava blogi olisi moottorinohjauksesta. Mutta on tiettyjä aiheita, jotka on ymmärrettävä ennen kuin siirryt moottorin ohjauksen syvyyteen, ja käsittelemme niitä tässä artikkelissa.

Lineaarimoottorin käyttö
Moottorityypit ja niiden historia
Suhteellisuus
Staattorin ja roottorin välinen vuorovaikutus

Lineaarimoottorin käyttö

Koska voimaelektroniikan insinööri, en tiennyt paljon moottoreiden toiminnasta. Luin monia muistiinpanoja, kirjoja ja viitteellisiä videoita. Minulla oli vaikeuksia ymmärtää joitain moottoreita ja niiden hallintaa perusteellisesti, kunnes viittasin jälleen sähkömekaanisiin energianmuunnoslaeihin - Faradayn ja Lorentzin voimalaeihin. Vietämme jonkin aikaa näiden lakien ymmärtämiseen. Jotkut teistä saattavat jo tietää sen, mutta on hyvä käydä ne läpi vielä kerran. Saatat oppia jotain uutta.

Faradayn laki

Faradayn induktiolaki toteaa lankakelan vuon ja siinä indusoidun jännitteen välisen suhteen.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Missä Φ edustaa kelan virtausta. Tämä on yksi perusyhtälöistä, joita käytetään moottorin sähköisen mallin johtamiseen. Tätä tilannetta ei tapahdu käytännön moottoreissa, koska kela koostuisi joukosta kierroksia, jotka jakautuvat avaruudessa, ja meidän on otettava huomioon jokaisen näistä käännöksistä johtuva virtaus. Termi vuosisidos (λ) edustaa kaikkiin keloihin liitettyä kokonaisvirtausta, ja se saadaan seuraavan yhtälön avulla

Φ _n edustaa vuon liittyy N ^{: nnen} kela ja N on kierrosten lukumäärä. Sitä voidaan kuvata, kun kela muodostuu N yksittäisestä kierroksesta sarjamuodossa. Täten,

λ = Nφe (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Miinusmerkki johtuu yleensä Lenzin laista.

Lenzin laissa todetaan seuraavaa: EMF (sähkömoottori) indusoituu lankakelassa, jos siihen liittyvä virtaus muuttuu. EMF: n napaisuus on sellainen, että jos vastus siirretään sen yli, siinä virtaava virta vastustaisi muutosta vuossa, joka aiheutti kyseisen EMF: n.

Ymmärretään Lenz-lakia johtimen (tangon) kautta, joka on sijoitettu magneettikenttään (B̅) ja joka osoittaa alaspäin paperin tasoon, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty. Voima F _sovelletaan liikkuu tangon vaakasuunnassa, mutta sauva on aina kosketuksessa vaakasuoran johtimet. Ulkoista vastusta R käytetään shuntina virran virtaamiseksi. Joten järjestely toimii kuin yksinkertainen sähköpiiri, jossa on jännitelähde (indusoitu EMF) ja vastus. Tähän silmukkaan liittyvä virtaus muuttuu, kun B̅: hen liittyvä alue kasvaa. Tämä indusoi EMF: n piirissä Faradayn lain (suuruus määräytyy sen mukaan, kuinka nopeasti virtaus muuttuu) ja Lenzin lain mukaan (napaisuus päätetään siten, että indusoitu virta vastustaa vuon muutosta).

Oikean käden peukalosääntö auttaa meitä tuntemaan virran suunnan. Jos käpristämme sormiamme indusoidun virran suuntaan, peukalo antaa generoidun kentän suunnan indusoidulla virralla. Tässä tapauksessa B2-kentän aiheuttaman kasvavan vuon vastustamiseksi meidän on kehitettävä kenttä kenttä pois paperin tasosta, ja siten virta kulkee vastapäivään. Tämän seurauksena pääte A on positiivisempi kuin pääte B. Kuormituksen näkökulmasta positiivinen EMF kehittyy kasvavan vuon avulla, ja siksi kirjoitamme yhtälön muodossa

e (t) = d λ / dt

Huomaa, että olemme jättäneet huomiotta negatiivisen merkin kirjoittaessamme tätä yhtälöä kuormituksen näkökulmasta. (Vastaava tapaus tulee esiin, kun alamme käsitellä moottoreita). Lopullinen sähköpiiri on seuraavan kuvan mukainen. Vaikka käsitelty tapaus on generaattori, olemme käyttäneet merkkien käytäntöä moottorin näkökulmasta ja alla olevassa kuvassa esitetty napaisuus on oikea. (Se käy selväksi, kun siirrymme moottorikäyttöön).

Voimme laskea indusoidun EMF: n seuraavasti. Yhden kierroksen kela (tässä tapauksessa johdin) tuottaa vuon kytkennän:

Missä A edustaa silmukan aluetta, l on johtimen pituus, v on nopeus, jolla sauva liikkuu käytetyn voiman vuoksi.

Yhtälön yläpuolelle voidaan sanoa, että EMF: n suuruus on verrannollinen johtimen nopeuteen ja riippumaton ulkoisesta vastuksesta. Mutta ulkoinen vastus määrittää, kuinka paljon voimaa tarvitaan nopeuden (ja siten virran) ylläpitämiseen. Tätä keskustelua jatketaan eteenpäin Lorentz-lain muodossa.

Lorentzin laki

Tarkistamme yhtälön ensin ja yritämme sitten ymmärtää sen.

F = q. (E + Vc x B)

Se toteaa, että kun varauksen q hiukkanen liikkuu v _c: n nopeudella sähkömagneettisessa kentässä, se kokee voiman. Moottorissa sähkökentällä E ei ole merkitystä. Täten, F = q. Vc. B

Jos kenttä on ajan suhteen vakio johtimen pituudelta ja kohtisuorassa sitä vastaan, voimme kirjoittaa yllä olevat yhtälöt seuraavasti:

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

Se osoittaa, että varaukseen vaikuttava voima on suoraan verrannollinen virtaan.

Takaisin ensimmäiseen kuvaan olemme nähneet, että käytetty ulkoinen voima indusoi EMF: n, joka indusoi virran vastuksessa. Kaikki energia haihtuu vastuksena lämmönä. Energiansäästölain tulisi olla tyydyttävä, ja siksi saamme:

F. v = e. i

Tämä yhtälö kuvaa kuinka mekaaninen energia muuttuu sähköenergiaksi. Tätä järjestelyä kutsutaan lineaariseksi generaattoriksi.

Voimme vihdoin tarkistaa, kuinka moottori käy eli kuinka sähköenergia muuttuu mekaaniseksi energiaksi. Alla olevassa kuvassa olemme korvaaneet ulkoisen vastuksen piirin kerrostetulla vastuksella ja nyt on ulkoinen jännitelähde, joka syöttää virtaa. Tässä tapauksessa havaitaan Lorentz-lain antama voima (F _DEVELOPED). Voiman suunta voidaan määrittää alla esitetyllä oikeanpuoleisella säännöllä

Näin lineaarimoottori toimii. Kaikki moottorit on johdettu näistä perusperiaatteista. On monia yksityiskohtaisia artikkeleita ja videoita, jotka löydät harjatun tasavirtamoottorin, harjattoman moottorin, PMSM-moottorin, induktiomoottorin jne. Toiminnasta. Joten ei ole järkevää tehdä vielä yhtä toimintaa kuvaavaa artikkelia. Tässä on linkki joihinkin hyviin opetusvideoihin erityyppisistä moottoreista ja niiden toiminnasta.

Moottorien historia

Historiallisesti on ollut kolme moottorityyppiä, joita on käytetty laajalti - harja-kommutaattorin tasavirta-, synkroni- ja induktiomoottorit. Monet sovellukset vaativat vaihtelevaa nopeutta ja tasavirtamoottoreita käytettiin laajalti. Tyristoreiden käyttöönotto vuoden 1958 paikkeilla ja transistoritekniikka muuttivat näkymää.
Invertterit kehitettiin, mikä auttoi tehokkaassa nopeudenhallintasovelluksessa. Transistorilaitteet voitiin kytkeä päälle ja pois päältä haluamallaan tavalla, ja se mahdollisti PWM-toiminnan. Aiemmin kehitetyt perusohjausjärjestelmät olivat induktiokoneiden V / f-käyttölaitteet.
Samanaikaisesti kestomagneetit alkoivat korvata kenttäkäämit tehokkuuden parantamiseksi. Invertterin käyttö yhdessä sinimuotoisten kestomagneettikoneiden kanssa mahdollisti harjojen poistamisen moottorin käyttöiän ja luotettavuuden parantamiseksi.
Seuraava tärkeä askel oli näiden harjattomien koneiden hallinta. Kaksireaktioteorian (tai dq-teorian) otti käyttöön Andre Blondel Ranskassa ennen vuotta 1900. Se yhdistettiin monimutkaisiin avaruusvektoreihin, jotka mahdollistivat koneen mallinnuksen tarkasti ohimenevässä ja vakaassa tilassa. Ensimmäistä kertaa sähköiset ja mekaaniset suuruudet voisivat olla yhteydessä toisiinsa.
Induktiomoottoreissa ei tapahtunut suuria muutoksia ennen vuotta 1960. Kaksi saksalaista - Blaschke ja Hasse tekivät joitain keskeisiä innovaatioita, jotka johtivat nyt kuuluisaan induktiomoottorien vektorisäätöön. Vektorisäätö käsittelee induktiomoottorin transienttimallia vakaan tilan sijaan. Sen lisäksi, että ohjataan jännitteen amplitudin ja taajuuden suhdetta, se ohjaa myös vaihetta. Tämä auttoi induktiomoottoria käyttämään nopeudensäätöä ja erittäin dynaamista servosovellusta varten.
Anturiton algoritmi oli seuraava iso askel näiden moottoreiden hallinnassa. Vektorisäätö (tai kenttäkohtainen ohjaus) edellyttää roottorin sijainnin tuntemista. Kalliita asentoantureita käytettiin aiemmin. Kyky arvioida roottorin asento moottorimallin perusteella antoi moottoreille mahdollisuuden käydä ilman antureita.
Siitä lähtien muutoksia on tapahtunut hyvin vähän. Moottorin rakenne ja sen ohjaus pysyvät suunnilleen ennallaan.

Moottorit ovat kehittyneet viime vuosisadalta lähtien. Ja elektroniikka on auttanut niitä käyttämään eri sovelluksissa. Suurin osa tässä maailmassa käytetystä sähköstä kuluttaa moottorit!

Erilaiset moottorit

Moottorit voidaan luokitella monella eri tavalla. Tarkastelemme joitain luokituksia.

Tämä on yleisin luokitus. AC- ja DC-moottoreissa on ollut paljon sekaannusta, ja on tärkeää tehdä ero niiden välillä. Pysykäämme seuraavan käytännön suhteen: moottoreita, jotka tarvitsevat vaihtovirtalähteen "sen liittimissä", kutsutaan vaihtovirtamoottoriksi ja joita voidaan käyttää tasavirtalähteellä "sen liittimissä", kutsutaan tasavirtamoottoreiksi. 'Sen terminaaleissa' on tärkeä, koska se eliminoi minkälaista elektroniikkaa käytetään moottorin käyttämiseen. Esimerkiksi: Harjaton tasavirtamoottori ei todellakaan voi toimia suoraan tasavirtalähteellä ja se vaatii elektronisen piirin.

Moottori voidaan luokitella virtalähteen ja kommutaation perusteella - harja tai harjaton, kuten alla on esitetty

Vaikka en aio mennä syvälle minkään edellä mainitun moottorin moottorisuunnitteluun - Haluan käsitellä kahta tärkeää aihetta - Roottorin sulavuuden ja vuorovaikutuksen staattorin vuon kanssa.

Suhteellisuus

Koneen parametrien, kuten vääntömomentin tuottamisen ja induktanssin, näkökohtiin vaikuttaa koneen magneettinen rakenne (kestomagneettikoneissa). Ja kaikkein perustavin näkökohta on suolaisuus. Soluisuus on mitoitus haluttomuudesta roottorin asennon kanssa. Niin kauan kuin tämä haluttomuus on vakio roottorin jokaisessa asennossa, konetta kutsutaan ei-merkittäväksi. Jos haluttomuus muuttuu roottorin asennon mukaan, konetta kutsutaan merkittäväksi.

Miksi suolaisuus on tärkeää ymmärtää? Koska tärkeällä moottorilla voi nyt olla kaksi menetelmää vääntömomentin tuottamiseksi. Voimme hyödyntää moottorin haluttomuuden vaihtelua tuottamaan haluttomuusmomenttia yhdessä magneettisen vääntömomentin kanssa (magneettien tuottaman). Kuten alla olevassa kuvassa on esitetty, voimme saavuttaa korkeammat vääntömomenttitasot samalla virralla lisäämällä reluktanssimomenttia. Tämä pätee IPM (Interior Permanent Magnet) -moottoreihin. (On moottoreita, jotka työskentelevät pelkästään haluttomuuden vaikutuksesta, mutta emme keskustele niistä täällä.) Seuraava aihe auttaa sinua ymmärtämään vuon sidoksen ja salitudin paljon paremmin.

(Huomaa: Kulman eteneminen alla olevassa kuvassa viittaa staattorin virran ja ilmavälivirran väliseen vaihe-eroon.)

Vuorovaikutus roottorin ja staattorin välillä

Moottorin virtaus kulkee roottorista ilmarakon yli staattoriin ja palaa takaisin ilmarakon kautta takaisin roottoriin kenttäsilmukan täydentämiseksi. Tuon reitin varrella virtaus näkee erilaisia vastahäiriöitä (magneettinen vastus). Laminoinnilla (teräs) on erittäin alhainen haluttomuus korkean μ _{r: n takia} (teräksen suhteellinen läpäisevyys on välillä tuhansia), kun taas ilmarakolla on erittäin suuri haluttomuus (μ _r on suunnilleen yhtä suuri kuin 1).

Teräksen yli kehitetty MMF (magnetomotorinen voima) on hyvin pieni, koska sillä on vähäinen haluttomuus ilmarakoon verrattuna. (Analogi sähköpiirille olisi: Jännitelähde (magneetti) ajaa virtaa (vuon) vastuksen läpi (ilmarakon haluttomuus). Vastukseen kytketyillä johtimilla (teräs) on hyvin pieni vastus ja voimme jättää jännitteen pudotuksen huomiotta. (Rahamarkkinarahaston pudotus). Staattorin ja roottoriteräksen rakenteella on siten merkityksetön vaikutus ja koko MMF kehittyy tehokkaan ilmarakon haluttomuuden yli (kaikilla vuonreitillä olevilla ei-rautametallisilla materiaaleilla on suhteellinen läpäisevyys kuin ilmarakolla). Ilmavälin pituus on merkityksetön verrattuna roottorin halkaisijaan, ja voidaan olettaa, että roottorin virtaus on kohtisuorassa staattoriin nähden.Rakoista ja hampaista johtuu fringing-vaikutuksia ja muita epälineaarisuuksia, mutta ne jätetään yleensä huomiotta koneen mallinnuksessa. (Et voi jättää niitä huomiotta konetta suunniteltaessa). Ilmavälissä olevaa virtausta ei kuitenkaan anna vain roottorin virtaus (magneetit kestomagneettikoneen tapauksessa). Staattorin kelassa oleva virta vaikuttaa myös vuon muodostumiseen. Näiden kahden vuon vuorovaikutus määrää moottoriin vaikuttavan momentin. Ja termiä, joka kuvaa sitä, kutsutaan tehokkaaksi ilmavälivirtaussidokseksi. Ajatuksena ei ole mennä matematiikkaan ja johtaa yhtälöitä, vaan ottaa pois kaksi pistettä:Ilmavälissä olevaa virtausta ei kuitenkaan anna vain roottorin virtaus (magneetit kestomagneettikoneen tapauksessa). Staattorin kelassa oleva virta vaikuttaa myös vuon muodostumiseen. Näiden kahden vuon vuorovaikutus määrää moottoriin vaikuttavan momentin. Ja termiä, joka kuvaa sitä, kutsutaan tehokkaaksi ilmavälivirtaussidokseksi. Ajatuksena ei ole mennä matematiikkaan ja johtaa yhtälöitä, vaan ottaa pois kaksi pistettä:Ilmavälissä olevaa virtausta ei kuitenkaan anna vain roottorin virtaus (magneetit kestomagneettikoneen tapauksessa). Staattorin kelassa oleva virta vaikuttaa myös vuon muodostumiseen. Näiden kahden vuon vuorovaikutus määrää moottoriin vaikuttavan momentin. Ja termiä, joka kuvaa sitä, kutsutaan tehokkaaksi ilmavälivirtaussidokseksi. Ajatuksena ei ole mennä matematiikkaan ja johtaa yhtälöitä, vaan ottaa pois kaksi pistettä:

Olemme huolissamme vain ilmavälin virtauksesta, kun koko rahamarkkinarahasto kehitetään sen yli.
Ilmavälin tehokas vuon kytkentä johtuu sekä staattorin virrasta että roottorin vuosta (magneeteista), ja niiden välinen vuorovaikutus tuottaa vääntömomentin.

Yllä olevassa kuvassa on erityyppisten moottoreiden roottori ja staattori. Olisi mielenkiintoista selvittää, mitkä heistä ovat merkittäviä ja mitkä eivät?

Huomaa: Jokaisessa näistä moottoreista on merkitty kaksi akselia - D ja Q. (Q-akseli on magneettinen akseli ja D-akseli on sähköisesti kohtisuorassa siihen nähden). Palaamme D- ja Q-akselille tulevissa artikkeleissa. Se ei ole tärkeä yllä olevan kysymyksen kannalta.

Vastaus:

A, B, C - ei-silmiinpistävä, D, E, F, G, H - merkittävä (magneetit vaikuttavat haluttomuuteen eri roottorin asennossa, katso alla oleva kuva, kohdassa J, K - sekä roottori että staattori eivät ole huomionarvoisia.

Lopetamme tämän artikkelin tässä vaiheessa. Paljon enemmän matematiikasta ja konemallinnuksesta olisi voitu keskustella, mutta siitä tulisi tässä liian monimutkaista. Olemme käsitelleet suurimman osan aiheista, joita tarvitaan moottorin ohjauksen ymmärtämiseen. Seuraava artikkelisarja siirtyy suoraan kenttäorientoituneeseen ohjaukseen (FOC), avaruusvektorimodulaatioon (SVM), vuonheikkenemiseen ja kaikkiin käytännön laitteisto- ja ohjelmistokohteisiin, joihin saatat joutua jumiin, kun aloitat ohjaimen suunnittelun.