Motoru pamati - teorija un likumi motora projektēšanai

Vai esat kādreiz domājuši, kā motors griežas? Kādi ir iesaistītie pamati? Kā to kontrolē? Līdzstrāvas suku motori ir bijuši tirgū jau ilgu laiku, un tie viegli griežas tikai ar līdzstrāvas padevi / akumulatoru, savukārt asinhronie un pastāvīgā magnēta sinhronie motori ietver sarežģītu elektroniku un vadības teoriju, lai tos efektīvi pagrieztu. Pirms mēs pat nonākam pie tā, kas ir līdzstrāvas motors vai kādi ir cita veida motori, ir svarīgi saprast lineārā motora darbību - visvienkāršāko motoru. Tas mums palīdzēs izprast motora griešanās pamatus.

Es esmu enerģijas elektronikas un motora vadības inženieris, un nākamais emuārs būtu par motora vadību. Bet ir dažas tēmas, kas ir jāsaprot pirms iedziļināšanās motora vadībā, un mēs tās aplūkosim šajā rakstā.

1. Lineārā motora darbība
2. Motoru veidi un to vēsture
3. Salacy
4. Stacijas un rotora plūsmas mijiedarbība

Lineārā motora darbība

Būdams spēka elektronikas inženieris, es neko daudz nezināju par motoru darbību. Es izlasīju daudzas piezīmes, grāmatas un atsaucīgus videoklipus. Man bija grūti padziļināti izprast dažus motorus un to vadību, līdz es vēlreiz atsaucos uz pamata elektromehāniskās enerģijas pārveidošanas likumiem - Faradeja un Lorenca spēka likumiem. Mēs kādu laiku pavadīsim šo likumu izpratnē. Daži no jums to jau varētu zināt, bet ir labi vēlreiz tos pārdzīvot. Jūs varētu uzzināt kaut ko jaunu.

Faradejas likums

Faradeja Indukcijas likums nosaka sakarību starp stieples spoles plūsmu un tajā izraisīto spriegumu.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Kur Φ apzīmē plūsmu spolē. Šis ir viens no pamatvienādojumiem, ko izmanto, lai atvasinātu motora elektrisko modeli. Šī situācija nenotiek praktiskos motoros, jo spole sastāvētu no vairākiem pagriezieniem, kas sadalīti telpā, un mums būtu jāņem vērā plūsma caur katru no šiem pagriezieniem. Termins plūsmas saite (λ) apzīmē kopējo plūsmu, kas saistīta ar visām spolēm, un to izsaka šāds vienādojums

Φ _n apzīmē plūsmu, kas saistīta ar n- ^to spoli, un N ir pagriezienu skaits. To var raksturot kā spirāli veido N viens pagrieziens virknes konfigurācijā. Tādējādi

λ = Nφe (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Mīnusa zīme parasti tiek attiecināta uz Lenca likumu.

Lenca likums nosaka sekojošo: EML (elektromotora spēks) tiek inducēts stieples spolē, ja mainās ar to saistītā plūsma. EMF polaritāte ir tāda, ka, ja pāri tam tiek novirzīts rezistors, tajā plūstošā strāva pretotos plūsmas izmaiņām, kas izraisīja šo EML.

Ļaujiet mums saprast Lenca likumu caur vadītāju (stieni), kas ievietots magnētiskajā laukā (B̅), kas vērsts uz leju papīra plaknē, kā parādīts iepriekš. _Pielietotais spēks F pārvieto stieni horizontāli, bet stienis vienmēr ir kontaktā ar horizontālajiem vadītājiem. Ārējais rezistors R tiek izmantots kā šunts, lai ļautu strāvai plūst. Tātad, izkārtojums darbojas kā vienkārša elektriskā ķēde ar sprieguma avotu (inducēto EML) un rezistoru. Ar šo cilpu saistītā plūsma mainās, jo palielinās ar B̅ saistītā platība. Tas rada EML ķēdē saskaņā ar Faradeja likumu (lielumu nosaka pēc tā, cik ātri mainās plūsma) un Lenca likumu (polaritāte tiek nolemta tā, ka ierosinātā strāva būs pretrunā plūsmas maiņai).

Labās rokas īkšķa noteikums palīdzēs mums zināt strāvas virzienu. Ja mēs savērpjam pirkstus inducētās strāvas virzienā, tad īkšķis dod ģenerētās lauka virzienu ar šo inducēto strāvu. Šajā gadījumā, lai pretotos pieaugošajai plūsmai B̅ lauka dēļ, mums jāizstrādā lauks no lauka no papīra plaknes, un tāpēc strāva plūst pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam. Tā rezultātā terminālis A ir pozitīvāks nekā terminālis B. No slodzes viedokļa pozitīvs EML tiek veidots ar pieaugošu plūsmu, un tāpēc mēs rakstīsim vienādojumu kā

e (t) = d λ / dt

Ievērojiet, ka mēs esam ignorējuši negatīvo zīmi, rakstot šo vienādojumu no slodzes viedokļa. (Līdzīgs gadījums parādīsies, kad mēs sāksim nodarboties ar motoriem). Galīgā elektriskā ķēde būs tāda, kā parādīts zemāk. Lai gan aplūkotais gadījums ir ģenerators, mēs izmantojām zīmju konvenciju no motora viedokļa, un zemāk redzamajā attēlā redzamā polaritāte ir pareiza. (Tas kļūs acīmredzams, kad mēs pāriet uz motora darbību).

Mēs varam aprēķināt izraisīto EML šādi. 1 pagrieziena spole (šajā gadījumā vadītāja) radīs plūsmas saiti:

Kur A apzīmē cilpas laukumu, l ir vadītāja garums, v ir ātrums, ar kādu stienis kustas pielietotā spēka dēļ.

Aplūkojot iepriekš minēto vienādojumu, mēs varam teikt, ka EMF lielums ir proporcionāls vadītāja ātrumam un nav atkarīgs no ārējā rezistora. Bet ārējais rezistors noteiks, cik liels spēks ir vajadzīgs ātruma (un līdz ar to arī strāvas) uzturēšanai. Šī diskusija tiek turpināta Lorenca likuma formā.

Lorenca likums

Vispirms mēs pārbaudīsim vienādojumu un pēc tam mēģināsim to saprast.

F = q. (E + Vc x B)

Tajā teikts, ka tad, kad lādiņa q daļiņa elektromagnētiskajā laukā pārvietojas ar v _c ātrumu, tā piedzīvo spēku. Motorā elektriskajam laukam E nav nozīmes. Tādējādi

F = q. Vc. B

Ja lauks ir nemainīgs laika gaitā vadītāja garumā un perpendikulārs tam, mēs varam uzrakstīt iepriekš minētos vienādojumus kā:

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

Tas parāda, ka spēks, kas iedarbojas uz lādiņu, ir tieši proporcionāls strāvai.

Atpakaļ uz pirmo attēlu, mēs esam redzējuši, ka pielietotais ārējais spēks inducē EML, kas inducē strāvu rezistorā. Visa enerģija tiek izkliedēta kā siltums rezistorā. Enerģijas saglabāšanas likumam jābūt izpildītam, un tādējādi mēs iegūstam:

F. v = e. i

Šis vienādojums parāda, kā mehāniskā enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju. Šo vienošanos sauc par lineāru ģeneratoru.

Mēs beidzot varam pārbaudīt, kā darbojas motors, ti, kā elektriskā enerģija tiek pārveidota par mehānisko enerģiju. Zemāk redzamajā attēlā mēs esam nomainījuši ārējo rezistoru ar kontūrveida rezistoru, un tagad ir ārējs sprieguma avots, kas piegādā strāvu. Šajā gadījumā mēs novērosim spēku, kas izstrādāts (F _DEVELOPED), ko dod Lorenca likums. Spēka virzienu var noteikt ar labās rokas likumu, kas parādīts zemāk

Tā darbojas lineārs motors. Visi motori ir atvasināti no šiem pamatprincipiem. Ir daudz detalizētu rakstu un videoklipu, kurus jūs atradīsit, aprakstot slīpēta līdzstrāvas motora, bezkontaktu motoru, PMSM motoru, indukcijas motoru utt. Darbību. Tāpēc nav jēgas izveidot vēl vienu rakstu, kurā aprakstīta darbība. Šeit ir saite uz dažiem labiem izglītojošiem video par dažādiem motoru veidiem un to darbību.

Motoru vēsture

• Vēsturiski plaši izmantoti trīs veidu motori - suku komutatora līdzstrāvas, sinhronie un asinhronie motori. Daudzas lietojumprogrammas prasa dažādu ātrumu, un līdzstrāvas motori tika plaši izmantoti. Bet tiristoru ieviešana ap 1958. gadu un tranzistoru tehnoloģija mainīja ainu.
• Tika izstrādāti invertori, kas palīdzēja efektīvai ātruma kontroles lietošanai. Transistora ierīces varēja ieslēgt un izslēgt pēc vēlēšanās, un tas ļāva darboties PWM. Agrāk izstrādātās pamata vadības shēmas bija indukcijas mašīnu V / f piedziņas.
• Paralēli pastāvīgie magnēti sāka nomainīt lauka spoles, lai uzlabotu efektivitāti. Invertora izmantošana kopā ar sinusoidālajām pastāvīgā magnēta mašīnām ļāva likvidēt birstes, lai uzlabotu motora kalpošanas laiku un uzticamību.
• Nākamais lielākais solis bija šo mašīnu vadīšana bez sukām. Divu reakciju teoriju (vai dq teoriju) pirms 1900. gada Francijā ieviesa Andrē Blondels. Tā tika apvienota ar sarežģītiem kosmosa vektoriem, kas ļāva precīzi modelēt mašīnu pārejošā un līdzsvara stāvoklī. Pirmo reizi elektriskos un mehāniskos lielumus varēja savstarpēji saistīt.
• Indukcijas motori līdz 1960. gadam nemainīja lielas izmaiņas. Divi vācieši - Blaschke un Hasse veica dažus galvenos jauninājumus, kas noveda pie tagad slavenās asinhrono motoru vektoru vadības. Vektoru vadība attiecas uz asinhronā motora pārejošo modeli, nevis līdzsvara stāvokli. Papildus sprieguma amplitūdas un frekvences attiecības kontrolei tas kontrolē arī fāzi. Tas palīdzēja asinhrono motoru izmantot ātruma kontrolē un servo lietojumos ar augstu dinamiku.
• Bez sensoru algoritms bija nākamais lielais solis šo motoru kontrolē. Vektoru vadībai (vai lauka orientētai vadībai) ir jāzina rotora stāvoklis. Dārgu pozīciju sensori tika izmantoti agrāk. Spēja novērtēt rotora stāvokli, pamatojoties uz motora modeli, ļāva motoriem darboties bez sensoriem.
• Kopš tā laika izmaiņas ir bijušas ļoti maz. Motora konstrukcija un tā vadība vairāk vai mazāk paliek nemainīga.

Motori ir attīstījušies kopš pagājušā gadsimta. Un elektronika ir palīdzējusi tos izmantot dažādās lietojumprogrammās. Lielāko daļu šajā pasaulē izmantotās elektroenerģijas patērē motori!

Dažādi motoru veidi

Motori var tikt klasificēti ļoti dažādos veidos. Mēs aplūkosim dažas klasifikācijas.

Šī ir vispārīgākā klasifikācija. Attiecībā uz maiņstrāvas un līdzstrāvas motoriem ir bijis daudz neskaidrību, un ir svarīgi tos nošķirt. Turēsimies pie šādas vienošanās: motorus, kuriem nepieciešama maiņstrāvas padeve “pie tā spailēm”, sauc par maiņstrāvas motoru, un kas var darboties ar līdzstrāvas padevi “tā spailēs”, sauc par līdzstrāvas motoru. “Pie tā spailēm” ir svarīgs, jo tas novērš to, kāda veida elektroniku izmanto motora darbināšanai. Piemēram: līdzstrāvas bezkontakta motors faktiski nevar darboties tieši ar līdzstrāvas padevi, un tam nepieciešama elektroniska ķēde.

Motoru var klasificēt, pamatojoties uz barošanu un komutāciju - suku vai bez sukām, kā parādīts zemāk

Lai gan es neiedziļinos neviena no iepriekš minētajiem motoriem motora konstrukcijā - es vēlētos risināt divas svarīgas tēmas - rotora plūsmas salacy un mijiedarbība ar Stator Flux.

Salacy

Mašīnas parametru aspektus, piemēram, griezes momenta ražošanu un induktivitāti, ietekmē mašīnas magnētiskā struktūra (pastāvīgo magnētu mašīnās). Un visvienkāršākais šajā aspektā ir salacy. Salacy ir negatīvas izmaiņas rādītājs ar rotora stāvokli. Kamēr šī nevēlēšanās ir nemainīga katrā rotora pozīcijā, mašīnu sauc par nesvarīgu. Ja nevēlēšanās mainās līdz ar rotora stāvokli, mašīnu sauc par ievērojamu.

Kāpēc ir svarīgi saprast salātiju? Tā kā galvenajam motoram tagad var būt divas metodes griezes momenta iegūšanai. Mēs varam izmantot motora nevēlēšanās variācijas, lai radītu nevēlēšanās griezes momentu kopā ar magnētisko griezes momentu (ko ražo magnēti). Kā parādīts zemāk redzamajā attēlā, mēs varam sasniegt augstākus griezes momenta līmeņus tai pašai strāvai, pievienojot nevēlēšanās griezes momentu. Tas notiks ar IPM (iekšējā pastāvīgā magnēta) motoriem. (Ir motori, kas darbojas tikai ar nevēlēšanās efektu, taču mēs tos šeit neapspriedīsim.) Nākamā tēma palīdzēs jums daudz labāk saprast plūsmas saikni un salātiju.

(Piezīme. Leņķa virzība zemāk esošajā attēlā attiecas uz fāzes starpību starp statora strāvu un gaisa spraugas plūsmu.)

Plūsmas mijiedarbība starp rotoru un statoru

Motora plūsma no rotora pāri gaisa spraugai virzās uz statoru un caur gaisa spraugu atkal atgriežas pie rotora, lai pabeigtu lauka cilpu. Šajā ceļā plūsma redz dažādas nevēlamības (magnētiskā pretestība). Kārtās (tērauda) ir ļoti zems nepatiku, jo augstā ļi _r (relatīvā magnētiskā caurlaidība ir tērauda, ir robežās no tūkstošiem), tā kā gaisa sprauga ir ļoti augsts nepatiku (μ _r ir aptuveni vienāds ar 1).

Visā tēraudā attīstītais MMF (magnetomotīvais spēks) ir ļoti mazāks, jo tam ir nenozīmīga nevēlēšanās salīdzinājumā ar gaisa spraugu. (Analogs elektriskajai ķēdei būtu: sprieguma avots (magnēts) virza strāvu (plūsmu) caur rezistoru (gaisa spraugas pretestība). Rezistoram pievienotajiem vadītājiem (tērauds) ir ļoti zema pretestība, un mēs varam neņemt vērā sprieguma kritumu (NTF kritums). Tādējādi statora un rotora tērauda konstrukcijai ir nenozīmīga ietekme, un visa NTF tiek veidota visā efektīvajā gaisa spraugas nevēlēšanās stāvoklī (tiek uzskatīts, ka jebkuram krāsaino materiālu plūsmas ceļā relatīvā caurlaidība ir vienāda ar gaisa spraugas caurlaidību).. Gaisa spraugas garums ir niecīgs, salīdzinot ar rotora diametru, un var droši pieņemt, ka plūsma no rotora ir perpendikulāra statoram.Rievu un zobu dēļ ir bārkstis un citas nelinearitātes, taču tos parasti neņem vērā, modelējot mašīnu. (Projektējot mašīnu, tos NEVAR ignorēt). Bet plūsmu gaisa spraugā nosaka ne tikai rotora plūsma (magnēti pastāvīgā magnēta mašīnas gadījumā). Statora spolē esošā strāva arī veicina plūsmu. Tieši šo 2 plūsmu mijiedarbība noteiks griezes momentu, kas iedarbojas uz motoru. Terminu, kas to raksturo, sauc par efektīvu gaisa spraugas plūsmas savienojumu. Ideja nav iedziļināties matemātikā un iegūt vienādojumus, bet atņemt divus punktus:Bet plūsmu gaisa spraugā nosaka ne tikai rotora plūsma (magnēti pastāvīgā magnēta mašīnas gadījumā). Statora spolē esošā strāva arī veicina plūsmu. Tieši šo 2 plūsmu mijiedarbība noteiks griezes momentu, kas iedarbojas uz motoru. Terminu, kas to raksturo, sauc par efektīvu gaisa spraugas plūsmas savienojumu. Ideja nav iedziļināties matemātikā un iegūt vienādojumus, bet atņemt divus punktus:Bet plūsmu gaisa spraugā nosaka ne tikai rotora plūsma (magnēti pastāvīgā magnēta mašīnas gadījumā). Statora spolē esošā strāva arī veicina plūsmu. Tieši šo 2 plūsmu mijiedarbība noteiks griezes momentu, kas iedarbojas uz motoru. Terminu, kas to raksturo, sauc par efektīvu gaisa spraugas plūsmas savienojumu. Ideja nav iedziļināties matemātikā un iegūt vienādojumus, bet atņemt divus punktus:

• Mēs esam noraizējušies tikai par gaisa spraugas plūsmu, jo visā tajā ir izveidota visa NTF.
• Efektīvā plūsmas saikne gaisa spraugā ir saistīta gan ar statora strāvu, gan ar rotora plūsmu (magnētiem), un mijiedarbība starp tām rada griezes momentu.

Augšējā attēlā parādīts dažādu veidu motoru rotors un stators. Būtu interesanti uzzināt, kuri no viņiem ir izteikti un kuri ne?

Piezīme: Katrā no šiem motoriem ir norādītas divas asis - D un Q. (Q ass ir magnētiskā ass, un D ass ir elektriski perpendikulāra tai). Nākamajos rakstos mēs atgriezīsimies pie D un Q ass. Iepriekš minētajam jautājumam tas nav svarīgi.

Atbilde:

A, B, C - neizteiksmīgs, D, E, F, G, H - izcils (magnēti ietekmē nevēlēšanos dažādās rotora pozīcijās, skatīt zemāk redzamo attēlu, J, K - gan rotors, gan stators nav izceļami.

Šajā brīdī mēs beigsim šo rakstu. Varētu būt apspriests daudz vairāk matemātikas un mašīnu modelēšanas, taču šeit tas kļūtu pārāk sarežģīts. Mēs esam apskatījuši lielāko daļu tēmu, kas vajadzīgas, lai izprastu motora vadību. Nākamā rakstu sērija tiks tieši pārvietota uz lauka orientētu vadību (FOC), kosmosa vektoru modulāciju (SVM), plūsmas vājināšanu un visiem praktiskajiem aparatūras un programmatūras aspektiem, kur jūs, iespējams, iestrēgsiet, kad sākat projektēt kontrolieri.