- Delovanje linearnega motorja
- Faradayev zakon
- Lorentzov zakon
- Zgodovina motorjev
- Različni tipi motorjev
- Ustreznost
- Pretočna interakcija med rotorjem in statorjem
Ste se kdaj vprašali, kako se vrti motor? Kakšne osnove so vključene? Kako se nadzoruje? Motorji z enosmernim krtačenjem so na trgu že dolgo in se zlahka vrtijo samo na enosmerni napajalnik / baterijo, medtem ko indukcijski motorji in sinhroni motorji s trajnimi magneti vključujejo učinkovito elektroniko in teorijo krmiljenja, da jih učinkovito vrtijo. Preden sploh pridemo do enosmernega motorja ali drugih vrst motorjev, je pomembno razumeti delovanje linearnega motorja - najosnovnejšega motorja. To nam bo pomagalo razumeti osnove predenja motorja.
Sem inženir močnostne elektronike in nadzora motorja, naslednji blog pa bi bil o nadzoru motorja. Vendar obstajajo nekatere teme, ki jih je treba razumeti, preden se poglobite v nadzor motorja, in jih bomo obravnavali v tem članku.
- Delovanje linearnega motorja
- Vrste motorjev in njihova zgodovina
- Ustreznost
- Pretočna interakcija med statorjem in rotorjem
Delovanje linearnega motorja
Ker sem bil inženir močnostne elektronike, nisem vedel veliko o delovanju motorjev. Prebral sem veliko zapiskov, knjig in napotenih video posnetkov. Nekatere motorje in njihovo globinsko upravljanje sem težko razumel, dokler se nisem spet skliceval na osnovne zakone o pretvorbi elektro-mehanske energije - Faradayeva in Lorentzova zakona o sili. Nekaj časa bomo porabili za razumevanje teh zakonov. Nekateri od vas to morda že veste, vendar je dobro, da jih še enkrat preberete. Morda se naučite kaj novega.
Faradayev zakon
Faradayev indukcijski zakon navaja razmerje med tokom žice v navitju in napetostjo v njej.
e (t) = -dφ / dt… (1)
Kjer Φ predstavlja tok v tuljavi. To je ena temeljnih enačb, ki se uporablja za izpeljavo električnega modela motorja. Ta situacija se ne zgodi pri praktičnih motorjih, saj bi bila tuljava sestavljena iz številnih obratov, razporejenih v vesolju, in morali bi upoštevati pretok skozi vsak od teh obratov. Izraz pretočna povezava (λ) predstavlja skupni pretok, povezan z vsemi tuljavami, in je podan z naslednjo enačbo
Φ n predstavlja toka povezan z n th tuljavo in N je število ovojev. Lahko ga opišemo kot tuljavo, sestavljeno iz N enojnih zavojev v serijski konfiguraciji. Tako
λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt
Znak minus običajno pripišemo Lenzovemu zakonu.
Lenzov zakon določa naslednje: EMF (elektromotorna sila) je inducirana v tuljavi žice, če se tok, povezan z njo, spremeni. Polarnost EMF je taka, da če bi se preko njega uporil upor, bi tok, ki teče v njem, nasprotoval spremembi toka, ki je povzročil ta EMF.
Razumimo Lenzov zakon skozi vodnik (palico), nameščen v magnetnem polju (B̅), usmerjenem navzdol v ravnino papirja, kot je prikazano na zgornji sliki. Sila F, ki deluje, premika palico vodoravno, vendar je palica vedno v stiku z vodoravnimi vodniki. Zunanji upor R se uporablja kot ranžirni tok, ki omogoča pretok toka. Torej, ureditev deluje kot preprost električni tokokrog z napetostnim virom (inducirani EMF) in uporom. Tok, povezan s to zanko, se spreminja, ko se povečuje območje, povezano z B increasing. To povzroči EMF v vezju v skladu s Faradayevim zakonom (o velikosti se odloča, kako hitro se pretok spreminja) in Lenzovim zakonom (polarnost je določena tako, da bo inducirani tok nasprotoval spremembi toka).
Pravilo palca z desno roko nam bo pomagalo pri spoznavanju smeri toka. Če zavijemo prste v smeri induciranega toka, bo palec dal smer ustvarjenega polja s tem induciranim tokom. V tem primeru moramo, da bi nasprotovali naraščajočemu toku zaradi polja B̅, razviti polje, ki je polje iz ravnine papirja, zato bo tok tekel v nasprotni smeri urnega kazalca. Posledično je terminal A pozitivnejši od terminala B. S stališča obremenitve se razvije pozitiven EMF z naraščajočim pretokom, zato bomo enačbo zapisali kot
e (t) = d λ / dt
Upoštevajte, da smo prezrli negativni znak, ko pišemo to enačbo z vidika obremenitve. (Podoben primer se bo pojavil, ko se bomo začeli ukvarjati z motorji). Končni električni tokokrog ima obliko, kot je prikazano spodaj. Čeprav je obravnavani primer generatorja, smo s stališča motorja uporabili konvencijo znakov in polarnost, prikazana na spodnji sliki, je pravilna. (To bo postalo očitno, ko preidemo na delovanje motorja).
Inducirani EMF lahko izračunamo na naslednji način. Tuljava z 1 obratom (v tem primeru vodnik) bo ustvarila pretočno povezavo:
Kjer A predstavlja območje zanke, je l dolžina vodnika, v hitrost, s katero se palica premika zaradi uporabljene sile.
Če pogledamo zgornjo enačbo, lahko rečemo, da je velikost EMF sorazmerna s hitrostjo vodnika in neodvisna od zunanjega upora. Toda zunanji upor bo določil, koliko sile je potrebno za vzdrževanje hitrosti (in s tem trenutnega). Ta razprava se nadaljuje v obliki Lorentzovega zakona.
Lorentzov zakon
Najprej bomo preverili enačbo in jo nato poskusili razumeti.
F = q. (E + Vc x B)
Navaja, da ko se delček naboja q giblje s hitrostjo v c v elektromagnetnem polju, doživi silo. V motorju električno polje E ni pomembno. Tako
F = q. Vc. B
Če je polje konstantno s časom na dolžino vodnika in pravokotno nanj, lahko zgornje enačbe zapišemo kot:
F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l
Pokaže, da je sila, ki deluje na naboj, neposredno sorazmerna s tokom.
Nazaj na prvo sliko smo videli, da uporabljena zunanja sila inducira EMR, ki inducira tok v uporu. Vsa energija se v uporu odvaja kot toplota. Zakon o ohranjanju energije mora biti izpolnjen in tako dobimo:
F. v = e. jaz
Ta enačba predstavlja, kako se mehanska energija pretvori v električno energijo. Ta ureditev se imenuje linearni generator.
Končno lahko preverimo, kako motor deluje, tj. Kako se električna energija pretvori v mehansko. Na spodnji sliki smo zunanji upor zamenjali z upognjenim uporom vezja in zdaj obstaja zunanji vir napetosti, ki napaja tok. V tem primeru bomo opazili silo, razvito (F RAZVITO), ki jo daje Lorentzov zakon. Smer sile lahko določimo s spodnjim desnim pravilom
Tako deluje linearni motor. Vsi motorji izhajajo iz teh osnovnih načel. Obstaja veliko podrobnih člankov in video posnetkov, ki opisujejo delovanje enosmernega motorja s krtačenjem, brezkrtačnih motorjev, motorjev PMSM, asinhronskih motorjev itd. Zato ni smiselno, če bi še en članek opisoval delovanje. Tu je povezava do nekaterih dobrih izobraževalnih videoposnetkov o različnih vrstah motorjev in njihovem delovanju.
Zgodovina motorjev
- V preteklosti so se pogosto uporabljali trije tipi motorjev - enosmerni komutator s krtačo, sinhroni in indukcijski motorji. Številne aplikacije zahtevajo različne hitrosti in enosmerni motorji so bili pogosto uporabljeni. Toda predstavitev tiristorjev okoli leta 1958 in tranzistorska tehnologija sta spremenila sceno.
- Razviti so bili pretvorniki, ki so pomagali pri učinkoviti aplikaciji za nadzor hitrosti. Tranzistorske naprave je bilo mogoče po želji vklopiti in izklopiti, kar je omogočilo delovanje PWM. Osnovne sheme nadzora, ki so bile razvite prej, so bili V / f pogoni za indukcijske stroje.
- Vzporedno s tem so trajni magneti začeli nadomeščati poljske tuljave za izboljšanje učinkovitosti. In uporaba pretvornika skupaj s sinusoidnimi stroji s trajnimi magneti je omogočila odpravo ščetk za izboljšanje življenjske dobe in zanesljivosti motorja.
- Naslednji pomemben korak je bil nadzor nad temi brezkrtačnimi stroji. Teorijo o dveh reakcijah (ali teorijo dq) je pred 1900 predstavil Andre Blondel v Franciji. Združila jo je s kompleksnimi vesoljskimi vektorji, ki so omogočili natančno modeliranje stroja v prehodnem in stabilnem stanju. Prvič sta bili električni in mehanski količini lahko povezani med seboj.
- Indukcijski motorji se niso veliko spremenili do leta 1960. Dva Nemca - Blaschke in Hasse sta naredila nekaj ključnih novosti, ki so privedle do zdaj znanega vektorskega nadzora indukcijskih motorjev. Vektorski nadzor se ukvarja s prehodnim modelom asinhronskega motorja in ne s stabilnim stanjem. Poleg nadzora razmerja amplituda napetost / frekvenca nadzoruje tudi fazo. To je pomagalo, da se asinhronski motor uporablja pri regulaciji hitrosti in servo aplikacijah z visoko dinamiko.
- Brezsenzorski algoritem je bil naslednji velik korak pri nadzoru teh motorjev. Vektorski nadzor (ali terensko usmerjen nadzor) mora poznati položaj rotorja. Prej so bili uporabljeni dragi senzorji položaja. Sposobnost ocene položaja rotorja na podlagi modela motorja je omogočila, da so motorji delovali brez senzorjev.
- Od takrat je bilo zelo malo sprememb. Zasnova motorja in njegovo upravljanje ostajata bolj ali manj enaki.
Motorji se razvijajo že od prejšnjega stoletja. In elektronika jim je pomagala pri uporabi v različnih aplikacijah. Večino električne energije, porabljene na tem svetu, porabijo motorji!
Različni tipi motorjev
Motorje lahko razvrstimo na veliko različnih načinov. Ogledali si bomo nekatere klasifikacije.
To je najbolj splošna klasifikacija. V zvezi z izmeničnimi in enosmernimi motorji je prišlo do velike zmede, zato je pomembno, da ločimo med njimi. Držimo se naslednjega dogovora: motorji, ki potrebujejo napajalnik izmeničnega toka "na svojih sponkah", se imenujejo izmenični motor in ki lahko deluje na enosmerni napajalnik "na svojih terminalih", imenovan enosmerni motor. „Na njegovih sponkah“ je pomembno, ker odpravlja, kakšno elektroniko uporabljamo za pogon motorja. Na primer: brezkrtačni enosmerni motor dejansko ne more delovati neposredno na enosmerni tok in potrebuje elektronsko vezje.
Motor je mogoče razvrstiti glede na napajanje in na podlagi komutacije - krtačo ali brezkrtačo, kot je prikazano spodaj
Čeprav se ne spuščam globoko v zasnovo motorja nobenega od zgornjih motorjev - dve pomembni temi, s katerimi bi se rad ukvarjal - Upoštevanje in interakcija pretoka rotorja s pretokom statorja.
Ustreznost
Na vidike parametrov stroja, kot sta navor in induktivnost, vpliva magnetna struktura stroja (pri strojih s trajnimi magneti). In najosnovnejši od tega vidika je opaznost. Upoštevanje je merilo spremembe v nenaklonjenosti s položajem rotorja. Dokler je ta nenaklonjenost konstantna pri vseh položajih rotorja, se stroj imenuje neizrazit. Če se nenaklonjenost spremeni s položajem rotorja, se stroj imenuje viden.
Zakaj je opaznost pomembna za razumevanje? Ker ima izstopajoči motor zdaj dva načina za ustvarjanje navora. Spreminjanje nenaklonjenosti v motorju lahko izkoristimo za ustvarjanje vrtilnega momenta skupaj z magnetnim navorom (ki ga proizvajajo magneti). Kot je prikazano na spodnji sliki, lahko dosežemo višjo raven navora za enak tok z dodatkom navora naklona. To velja za motorje IPM (Notranji trajni magnet). (Obstajajo motorji, ki delujejo zgolj na učinek odpornosti, vendar o njih tukaj ne bomo razpravljali.) Naslednja tema vam bo pomagala veliko bolje razumeti povezavo in gibljivost pretoka.
(Opomba: Kotni napredek na spodnji sliki se nanaša na fazno razliko med statorskim tokom in pretokom zračne reže.)
Pretočna interakcija med rotorjem in statorjem
Pretok v motorju potuje od rotorja skozi zračno režo do statorja in se spet vrne skozi zračno režo nazaj do rotorja, da zaključi poljsko zanko. Na tej poti tok vidi različne odpornosti (magnetni upor). Laminiranje (jeklo) ima zelo majhno odpornost zaradi visoke μ r (relativna prepustnost jekla je v območju tisoč), medtem ko ima zračna reža zelo visoko odpornost (μ r je približno enaka 1).
MMF (magnetomotorna sila), razvita v jeklu, je zelo manjša, saj ima zanemarljivo odpornost v primerjavi z zračno režo. (Analog električnega vezja bi bil: Napetostni vir (magnet) poganja tok (tok) skozi upor (odpornost zračne reže). Vodniki (jeklo), priključeni na upor, imajo zelo majhen upor in lahko prezremo padec napetosti (Padec MMF) čez to). Tako ima struktura statorja in rotorskega jekla zanemarljiv vpliv, celoten MMF pa se razvije glede na efektivno odpornost zračne reže (šteje se, da ima kateri koli neželezni material na poti toka relativno prepustnost, enako zračni reži). Dolžina zračne reže je v primerjavi s premerom rotorja zanemarljiva in lahko varno domnevamo, da je tok iz rotorja pravokoten na stator.Zaradi rež in zob obstajajo učinki obrobe in druge nelinearnosti, ki pa se pri modeliranju stroja običajno prezrejo. (Pri načrtovanju naprave jih NE MORETE prezreti). Toda pretoka v zračni reži ne daje samo tok rotorja (magneti v primeru stroja s trajnimi magneti). K toku prispeva tudi tok v statorski tuljavi. Interakcija teh dveh pretokov bo tista, ki določa navor, ki deluje na motor. Izraz, ki ga opisuje, se imenuje učinkovita povezava pretoka zračne reže. Ideja ni, da bi se lotili matematike in izpeljali enačbe, ampak odvzeli dve točki:Toda pretoka v zračni reži ne daje samo tok rotorja (magneti v primeru stroja s trajnimi magneti). K toku prispeva tudi tok v statorski tuljavi. Interakcija teh dveh pretokov bo tista, ki določa navor, ki deluje na motor. Izraz, ki ga opisuje, se imenuje učinkovita povezava pretoka zračne reže. Ideja ni, da bi se lotili matematike in izpeljali enačbe, ampak odvzeli dve točki:Toda pretoka v zračni reži ne daje samo tok rotorja (magneti v primeru stroja s trajnimi magneti). K toku prispeva tudi tok v statorski tuljavi. Interakcija teh dveh pretokov bo tista, ki določa navor, ki deluje na motor. Izraz, ki ga opisuje, se imenuje učinkovita povezava pretoka zračne reže. Ideja ni, da bi se lotili matematike in izpeljali enačbe, ampak odvzeli dve točki:
- Ukvarjamo se samo s tokom v zračni reži, saj je celotni SDT razvit po njej.
- Učinkovito povezovanje toka v zračni reži je posledica statorskega toka in rotorskega toka (magneti), medsebojno delovanje med njimi pa povzroči navor.
Zgornja slika prikazuje rotor in stator različnih vrst motorjev. Zanimivo bi bilo ugotoviti, kateri izmed njih so vidni in kateri ne?
Opomba: V vsakem od teh motorjev sta označeni dve osi - D in Q. (Os Q je magnetna os, os D pa je električno pravokotna nanjo). V prihodnjih člankih se bomo vrnili na os D in Q. Za zgornje vprašanje ni pomembno.
Odgovor:
A, B, C - neizstopen, D, E, F, G, H - izstopajoči (magneti vplivajo na odpornost v drugačnem položaju rotorja, glej spodnjo sliko, v J, K - tako rotor kot stator nista vidna.
Ta članek bomo končali na tej točki. Lahko bi razpravljali o veliko več matematiki in modeliranju strojev, vendar bi tukaj postalo preveč zapleteno. Obdelali smo večino tem, ki so potrebne za razumevanje upravljanja motorja. Naslednja serija člankov se bo neposredno preselila na terensko usmerjen nadzor (FOC), vesoljsko modulacijo vesolja (SVM), oslabitev pretoka in vse praktične vidike strojne in programske opreme, kjer se boste morda zataknili, ko začnete oblikovati krmilnik.