Grunden för motorer - teori och lagar för att designa en motor

Har du någonsin undrat hur en motor snurrar? Vilka är grunden? Hur kontrolleras det? DC-borstade motorer har funnits på marknaden sedan länge och de snurrar lätt på en likströmsförsörjning / batteri medan induktionsmotorer och synkronmotorer med permanentmagnet involverar komplex elektronik och styrteori för att rotera dem effektivt. Innan vi ens kommer till vad som är en likströmsmotor eller vilka andra typer av motorer, är det viktigt att förstå hur linjärmotorn fungerar - den mest grundläggande motorn. Detta hjälper oss att förstå grunderna bakom en motorspinning.

Jag är ingenjör för kraftelektronik och motorstyrning och nästa blogg skulle handla om motorstyrning. Men det finns vissa ämnen som är nödvändiga att förstå innan du går in i motorstyrningens djup och vi kommer att behandla dem i den här artikeln.

Drift av en linjär motor
Typer av motorer och dess historia
Salience
Flödesinteraktion mellan statorn och rotorn

Drift av en linjär motor

Som kraftelektronikingenjör visste jag inte mycket om motorns funktion. Jag läste många anteckningar, böcker och hänvisade videor. Jag hade svårt att förstå några av motorerna och dess kontroll på djupet tills jag åter hänvisade till de grundläggande elektromekaniska energiomvandlingslagarna - Faraday och Lorentz Force Laws. Vi kommer att spendera lite tid på att förstå dessa lagar. Vissa av er kanske redan vet det men det är bra att gå igenom dem igen. Du kan lära dig något nytt.

Faradays lag

Faradays induktionslag anger förhållandet mellan flödet av en trådspole och den spänning som induceras i den.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Där Φ representerar flödet i spolen. Detta är en av de grundläggande ekvationerna som används för att härleda en motorns elektriska modell. Denna situation händer inte i praktiska motorer eftersom spolen skulle bestå av ett antal varv, fördelat i rymden och vi skulle behöva redogöra för flödet genom var och en av dessa varv. Termen flödesbindning (λ) representerar det totala flödet kopplat till alla spolar och det ges av följande ekvation

Φ _n representerar flödet kopplat till n: ^a spolen och N är antalet varv. Det kan beskrivas som spolen består av N enstaka varv i seriekonfiguration. Således,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Minustecknet tillskrivs vanligtvis Lenzs lag.

Lenzs lag säger följande: En EMF (elektromotorisk kraft) induceras i en trådspole om flödet kopplat till det ändras. EMF: s polaritet är sådan att om ett motstånd shuntades över den, skulle strömmen som flödar i den motsätta sig förändringen i flödet som inducerade den EMF.

Låt oss förstå Lenz-lagen genom en ledare (stav) placerad i ett magnetfält (B̅) som pekar nedåt i pappersplanet som visas ovan. En kraft F _appliceras rör stången horisontellt men stången är alltid i kontakt med de horisontella ledarna. Det externa motståndet R används som en shunt för att låta strömmen strömma. Så fungerar arrangemanget som en enkel elektrisk krets med en spänningskälla (den inducerade EMF) och ett motstånd. Flödet kopplat till denna slinga förändras när området kopplat till B̅ ökar. Detta inducerar en EMF i kretsen enligt Faradays lag (storleken bestäms av hur snabbt flödet förändras) och Lenzs lag (polariteten bestäms så att den inducerade strömmen kommer att motsätta sig förändringen av flödet).

Höger hand tumregel hjälper oss att veta riktningen för strömmen. Om vi krullar fingrarna i riktning mot den inducerade strömmen, kommer tummen att ge riktningen för det genererade fältet av den inducerade strömmen. I det här fallet, för att motsätta oss det ökande flödet på grund av B̅-fältet, måste vi utveckla ett fält ett fält ur pappersplanet, och därmed kommer strömmen att flyta moturs. Som ett resultat är terminal A mer positiv än terminal B. Ur belastningssynpunkt utvecklas en positiv EMF med ökande flöde och därför kommer vi att skriva ekvationen som

e (t) = d A / dt

Observera att vi har ignorerat det negativa tecknet när vi skriver denna ekvation ur belastningens synvinkel. (Ett liknande fall kommer upp när vi börjar hantera motorer). Den slutliga elektriska kretsen kommer att ha formen enligt bilden nedan. Även om det diskuterade fallet är av en generator har vi använt skyltkonventionen ur motorisk synvinkel och polariteten som visas i figuren nedan är korrekt. (Det blir uppenbart när vi går vidare till motoroperationen).

Vi kan beräkna EMF-inducerad enligt följande. En spole med 1 varv (ledare i det här fallet) ger en flödesbindning av:

Där A representerar slingans yta, är l ledarens längd, v är hastigheten med vilken stången rör sig på grund av den applicerade kraften.

Om vi tittar på ovanstående ekvation kan vi säga att storleken på EMF är proportionell mot ledarens hastighet och oberoende av det yttre motståndet. Men det yttre motståndet kommer att avgöra hur mycket kraft som behövs för att upprätthålla hastigheten (och därmed strömmen). Denna diskussion fortsätter framåt i form av Lorentz Law.

Lorentz Law

Vi kommer att kolla in ekvationen först och sedan försöka förstå den.

F = q. (E + Vc x B)

Den säger att när en laddningspartikel q rör sig med en hastighet av _vc i ett elektromagnetiskt fält, upplever den en kraft. I en motor är det elektriska fältet E irrelevant. Således, F = q. Vc. B

Om fältet är konstant med tiden över ledarens längd och vinkelrätt mot den kan vi skriva ovanstående ekvationer som:

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

Det visar att kraften som verkar på laddningen är direkt proportionell mot strömmen.

Tillbaka till första figuren har vi sett att en extern kraft applicerad inducerar en EMF som inducerar ström i ett motstånd. All energi släpps ut som värme i motståndet. Lagen om bevarande av energi bör uppfyllas och därför får vi:

F. v = e. i

Denna ekvation representerar hur mekanisk energi omvandlas till elektrisk energi. Detta arrangemang kallas en linjär generator.

Vi kan äntligen kolla hur en motor går, dvs. hur den elektriska energin omvandlas till mekanisk energi. I nedanstående figur har vi ersatt det externa motståndet med ett klumpmotstånd i kretsen och nu finns det en extern spänningskälla som matar strömmen. I det här fallet kommer vi att observera en kraft som utvecklats (F _UTVECKLAD) från Lorentz-lagen. Kraftens riktning kan fastställas genom högerhandregeln som visas nedan

Så här fungerar en linjär motor. Alla motorer härrör från dessa grundläggande principer. Det finns många detaljerade artiklar och videor som beskriver driften av borstad likströmsmotor, borstlösa motorer, PMSM-motorer, induktionsmotorer etc. Så det är inte vettigt att göra en artikel till som beskriver operationen. Här är länken till några av de bra pedagogiska videorna om olika typer av motorer och dess funktion.

Motors historia

Historiskt har det funnits tre typer av motorer som har använts i stor utsträckning - borstkommutator DC, synkronmotorer och induktionsmotorer. Många applikationer kräver varierande hastighet och likströmsmotorer användes ofta. Men införandet av tyristorer runt 1958 och transistortekniken förändrade scenen.
Omformare utvecklades som hjälpte till en effektiv applikation för hastighetskontroll. Transistorenheterna kunde slås på och av efter eget tycke och det tillät PWM-drift. De grundläggande kontrollscheman som utvecklades tidigare var V / f-enheter för induktionsmaskiner.
Parallellt började permanentmagneter ersätta fältspolar för att förbättra effektiviteten. Och användningen av inverter tillsammans med sinusformade permanentmagnetmaskiner gjorde det möjligt att eliminera borstar för att förbättra motorns livslängd och tillförlitlighet.
Nästa stora steg var i kontrollen av dessa borstlösa maskiner. Tvåreaktionsteorin (eller dq-teorin) introducerades av Andre Blondel i Frankrike före 1900. Den kombinerades med komplexa rymdvektorer som gjorde det möjligt att modellera en maskin exakt i transient och steady state. För första gången kunde de elektriska och mekaniska mängderna relateras till varandra.
Induktionsmotorer såg inte mycket förändringar förrän 1960. Två tyskar - Blaschke och Hasse gjorde några viktiga innovationer som ledde till den nu berömda vektorkontrollen av induktionsmotorer. Vektorkontroll handlar om den transienta modellen av induktionsmotorn snarare än steady state. Förutom att kontrollera spänningsamplituden till frekvensförhållandet styr den också fasen. Detta hjälpte induktionsmotorn att användas i hastighetsreglering och servotillämpningar med hög dynamik.
Den sensorfria algoritmen var nästa stora steg i kontrollen av dessa motorer. Vektorkontroll (eller fältorienterad styrning) kräver att du vet rotorns position. Dyra positionssensorer användes tidigare. Förmågan att uppskatta rotorpositionen baserat på motormodellen gjorde att motorerna kunde gå utan sensorer.
Sedan dess har mycket få förändringar skett. Motordesignen och dess kontroll är mer eller mindre desamma.

Motorer har utvecklats sedan förra seklet. Och elektronik har hjälpt dem att användas i olika applikationer. Majoriteten av den el som används i denna värld förbrukas av motorer!

Olika typer av motorer

Motorerna kan klassificeras på många olika sätt. Vi kommer att titta på några av klassificeringarna.

Detta är den mest generella klassificeringen. Det har varit mycket förvirring angående växelströms- och likströmsmotorer och det är viktigt att skilja mellan dem. Låt oss hålla oss till följande konvention: de motorer som kräver en växelströmsförsörjning "vid sina terminaler" kallas en växelströmsmotor och som kan gå på en likströmsförsörjning "vid sina terminaler" kallas en likströmsmotor. "Vid sina terminaler" är viktigt eftersom det eliminerar vilken typ av elektronik som används för att driva motorn. Till exempel: Den borstlösa likströmsmotorn kan faktiskt inte köras direkt på likströmsförsörjningen och den kräver en elektronisk krets.

Motorn kan klassificeras baserat på strömförsörjning och baserat på pendling - borste eller borstlös, som visas nedan

Även om jag inte går djupt in i motordesignen för någon av ovanstående motorer - Det finns två viktiga ämnen som jag skulle vilja ta itu med - Salience and Interaction of Rotor Flux with Stator Flux.

Salience

Aspekter av maskinparametrar som vridmomentproduktion och induktans påverkas av maskinens magnetiska struktur (i maskiner med permanentmagnet). Och det mest grundläggande i den aspekten är viktigheten. Salience är måttet på förändring i motvilja med rotorposition. Så länge denna motvilja är konstant i varje rotorns läge kallas maskinen för icke-framträdande. Om motviljan ändras med rotorns läge kallas maskinen framträdande.

Varför är det viktigt att förstå betydelse? Eftersom en framträdande motor nu kan ha två metoder för att producera vridmoment. Vi kan dra nytta av motståndsvariation i motorn för att producera motståndsmoment tillsammans med magnetmomentet (producerat av magneterna). Som visas i figuren nedan kan vi uppnå högre vridmomentnivåer för samma ström med tillägg av motståndsmoment. Detta kommer att vara fallet med IPM-motorer (Interior Permanent Magnet). (Det finns motorer som enbart arbetar med motvillighetseffekt men vi kommer inte att diskutera dem här.) Nästa ämne hjälper dig att förstå flödesförbindelse och viktighet mycket bättre.

(Obs: Vinkelförskott i nedanstående figur avser fasskillnaden mellan statorström och luftspaltflöde.)

Flödesinteraktion mellan rotorn och statorn

Flödet i en motor rör sig från rotorn över luftspalten till statorn och kommer tillbaka igen genom luftspalten tillbaka till rotorn för att slutföra fältslingan. På den vägen ser flödet olika motstånd (magnetiskt motstånd). Lameller (stål) har en mycket låg reluktans på grund av hög μ _r (relativ permeabilitet av stål är i området av tusentals) medan luftgapet har en mycket hög reluktans (μ _r är ungefär lika med 1).

MMF (magnetkraften) som utvecklats över stålet är mycket mindre eftersom den har försumbar motvilja jämfört med luftspalten. (En analog till den elektriska kretsen skulle vara: En spänningskälla (magnet) driver ström (flöde) genom ett motstånd (luftspaltreluktans). Ledarna (stål) som är anslutna till motståndet har mycket lågt motstånd och vi kan ignorera spänningsfallet (MMF-droppe) över den). Statorns och rotorstålets struktur har således en försumbar påverkan och hela MMF utvecklas över den effektiva luftspaltreluktansen (allt icke-järnhaltigt material i flödesvägen anses ha en relativ permeabilitet som är lika med luftspalten). Luftspaltlängden är försumbar jämfört med rotordiametern och det kan säkert antas att flödet från rotorn är vinkelrätt mot statorn.Det finns frynseffekter och andra olinjäriteter på grund av slitsar och tänder, men dessa ignoreras vanligtvis vid modellering av maskinen. (Du kan INTE ignorera dem när du utformar maskinen). Men flödet i luftspalten ges inte bara av rotorflödet (magneter vid permanentmagnetmaskin). Strömmen i statorspolen bidrar också till flödet. Det är samspelet mellan dessa två flöden som kommer att bestämma vridmomentet som verkar på motorn. Och termen som beskriver den kallas den effektiva luftspalten. Tanken är inte att gå in i matematik och härleda ekvationerna utan att ta bort två punkter:Men flödet i luftspalten ges inte bara av rotorflödet (magneter vid permanentmagnetmaskin). Strömmen i statorspolen bidrar också till flödet. Det är samspelet mellan dessa två flöden som kommer att bestämma vridmomentet som verkar på motorn. Och termen som beskriver den kallas den effektiva luftspalten. Tanken är inte att gå in i matematik och härleda ekvationerna utan att ta bort två punkter:Men flödet i luftspalten ges inte bara av rotorflödet (magneter vid permanentmagnetmaskin). Strömmen i statorspolen bidrar också till flödet. Det är samspelet mellan dessa två flöden som kommer att bestämma vridmomentet som verkar på motorn. Och termen som beskriver den kallas den effektiva luftspalten. Tanken är inte att gå in i matematik och härleda ekvationerna utan att ta bort två punkter:

Vi berör bara flödet i luftspalten när hela penningmarknadsfonden utvecklas över den.
Den effektiva flödesförbindelsen i luftspalten beror på både statorströmmen och rotorflödet (magneter) och samspelet mellan dem ger vridmoment.

Ovanstående figur visar rotorn och statorn för olika typer av motorer. Det vore intressant att ta reda på vilka av dem som är framträdande och vilka inte?

Obs: I var och en av dessa motorer är två axlar markerade - D och Q. (Q-axeln är den magnetiska axeln och D-axeln är elektriskt vinkelrät mot den). Vi kommer tillbaka till D- och Q-axeln i framtida artiklar. Det är inte viktigt för ovanstående fråga.

Svar:

A, B, C - icke-framträdande, D, E, F, G, H - framträdande (magneterna påverkar motviljan i olika rotorpositioner, se figur nedan, i J, K - både rotorn och stator är inte framträdande.

Vi kommer att avsluta den här artikeln just nu. Mycket mer matematik och maskinmodellering kunde ha diskuterats men det skulle bli för komplicerat här. Vi har täckt de flesta ämnen som behövs för att förstå styrningen av en motor. Nästa serie artiklar kommer direkt att flytta till FOC (Field Oriented Control), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening och alla praktiska hårdvaru- och programvaruaspekter där du eventuellt kan fastna när du börjar designa styrenheten.