Mga batayan ng motor - teorya at batas upang magdisenyo ng motor

Kailanman nagtaka kung paano umiikot ang isang motor? Ano ang mga kasangkot na batayan? Paano ito kinokontrol? Ang DC brushing motors ay nasa merkado mula pa sa mahabang panahon at madali silang umiikot sa isang supply / baterya lamang ng DC samantalang ang mga induction motor at permanenteng magnet na magkasabay na motor ay may kasamang mga kumplikadong electronics at control theory upang paikutin ang mga ito nang mahusay. Bago pa man makarating sa ano ang isang DC motor o kung ano ang iba pang mga uri ng motor, mahalagang maunawaan ang pagpapatakbo ng linear motor - ang pinaka pangunahing motor. Tutulungan kaming maunawaan ang mga pangunahing kaalaman sa likod ng isang motor na umiikot.

Ako ay isang Power Electronics at Motor Control Engineer at ang susunod na blog ay nasa motor control. Ngunit may ilang mga paksa na kinakailangan upang maunawaan bago pumunta sa lalim ng kontrol sa motor at sasakupin namin ang mga ito sa artikulong ito.

1. Pagpapatakbo ng isang Linear Motor
2. Mga Uri ng Motors at Kasaysayan nito
3. Pagiging matino
4. Pakikipag-ugnay sa Flux sa pagitan ng Stator at Rotor

Pagpapatakbo ng isang Linear Motor

Bilang isang power engineer ng electronics, hindi ko masyadong alam ang tungkol sa pagpapatakbo ng mga motor. Nabasa ko ang maraming mga tala, libro at mga refer na video. Nahihirapan akong maintindihan ang ilan sa mga motor at ang kontrol nito nang malalim hanggang sa muling mag-refer sa pangunahing mga batas sa pag-convert ng enerhiya na electro-mechanical - Faraday at Lorentz Force Laws. Magugugol kami ng kaunting oras sa pag-unawa sa mga batas na ito. Ang ilan sa inyo ay maaaring alam na nito ngunit mabuting dumaan ulit sa kanila. Maaari kang matuto ng bago.

Batas ni Faraday

Ang Batas ng Induction ng Faraday ay nagsasaad ng ugnayan sa pagitan ng pagkilos ng bagay ng isang coil ng wire at ang boltahe na sapilitan dito.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Kung saan ang Φ ay kumakatawan sa pagkilos ng bagay sa likid. Ito ay isa sa pangunahing mga equation na ginamit upang makuha ang de-koryenteng modelo ng isang motor. Ang sitwasyong ito ay hindi nangyari sa mga praktikal na motor dahil ang likaw ay binubuo ng isang bilang ng mga liko, na ipinamahagi sa espasyo at kailangan naming account para sa pagkilos ng bagay sa bawat isa sa mga liko na ito. Ang term na pag-link ng pagkilos ng bagay (λ) ay kumakatawan sa kabuuang pagkilos ng bagay na naka-link sa lahat ng mga coil at ito ay ibinigay ng sumusunod na equation

Ang Φ _{n ay} kumakatawan sa pagkilos ng bagay na naka-link sa n ^th coil at N ang bilang ng mga liko. Maaari itong mailarawan bilang ang coil ay nabuo ng N solong pagliko sa isang serye ng pagsasaayos. Kaya,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Ang minus sign ay karaniwang naiugnay sa batas ni Lenz.

Ang batas ni Lenz ay nagsasaad ng mga sumusunod: Ang isang EMF (electromotive force) ay sapilitan sa isang likid ng kawad kung ang pagkilos ng bagay na naiugnay dito ay nagbago. Ang polarity ng EMF ay tulad na kung ang isang risistor ay na-shunted sa kabuuan nito, ang kasalukuyang dumadaloy dito ay tutulan ang pagbabago sa pagkilos ng bagay na sapilitan na EMF.

Unawain natin ang Batas ng Lenz sa pamamagitan ng isang konduktor (tungkod) na inilagay sa isang magnetic field (B̅) na tumuturo pababa sa eroplano ng papel tulad ng ipinakita sa itaas na pigura. Ang isang puwersang F na _{inilapat ay} gumagalaw ng baras nang pahalang ngunit ang pamalo ay palaging nakikipag-ugnay sa mga pahalang na conductor. Ang panlabas na risistor R ay ginagamit bilang isang paglilipat upang payagan ang kasalukuyang dumaloy. Kaya, ang pag-aayos ay kumikilos tulad ng isang simpleng de-koryenteng circuit na may isang mapagkukunan ng boltahe (ang sapilitan EMF) at isang risistor. Ang pagkilos ng bagay na naka-link sa loop na ito ay nagbabago habang ang lugar na naka-link sa B̅ ay tumataas. Ito ay nagpapahiwatig ng isang EMF sa circuit alinsunod sa Batas ng Faraday (ang lakas ay napagpasyahan ng kung gaano kabilis ang pagbabago ng pagkilos ng bagay) at ang Batas ni Lenz (ang polarity ay napagpasyahan na ang kasalukuyang sapilitan ay tutulan ang pagbabago ng pagkilos ng bagay).

Ang Rule Hand Thumb Rule ay makakatulong sa amin na malaman ang direksyon ng kasalukuyang. Kung pinagsama namin ang aming mga daliri sa direksyon ng sapilitan kasalukuyang, pagkatapos ay ibibigay ng hinlalaki ang direksyon ng nabuong patlang ng na sapilitan kasalukuyang. Sa kasong ito, upang tutulan ang pagtaas ng pagkilos ng bagay dahil sa B̅ na patlang, kailangan naming bumuo ng isang patlang ng isang patlang sa labas ng eroplano ng papel, at samakatuwid, ang kasalukuyang ay dumadaloy sa isang counter-clockwise na direksyon. Bilang isang resulta, ang terminal A ay mas positibo kaysa sa terminal B. Mula sa point of view ng pag-load, isang positibong EMF ay binuo na may pagtaas ng pagkilos ng bagay at sa gayon ay isusulat namin ang equation bilang

e (t) = d λ / dt

Pagmasdan na hindi namin pinansin ang negatibong pag-sign habang sinusulat namin ang equation na ito mula sa pananaw ng pagkarga. (Ang isang katulad na kaso ay darating kapag nagsimula kaming makitungo sa mga motor). Ang pangwakas na de-koryenteng circuit ay kukuha ng form sa ibaba ng pigura. Kahit na ang tinalakay na kaso ay isang generator, ginamit namin ang sign Convention mula sa motor point of view at ang polarity na ipinakita sa figure sa ibaba ay wasto. (Ito ay magiging halata kapag lumipat tayo sa operasyon ng motor).

Maaari nating kalkulahin ang EMF na sapilitan tulad ng mga sumusunod. Ang isang coil ng 1 turn (conductor sa kasong ito) ay makakagawa ng isang pag-link sa pagkilos ng bagay na:

Kung saan ang A ay kumakatawan sa lugar ng loop, l ang haba ng conductor, v ang bilis ng paggalaw ng tungkod dahil sa inilapat na puwersa.

Sa pagtingin sa itaas ng Equation, masasabi nating ang laki ng EMF ay proporsyonal sa bilis ng conductor at independiyente sa panlabas na risistor. Ngunit ang panlabas na risistor ay tutukoy kung gaano karaming puwersa ang kinakailangan upang mapanatili ang tulin (at samakatuwid ang kasalukuyang). Ang talakayang ito ay patuloy na pasulong sa anyo ng Batas Lorentz.

Batas Lorentz

Susuriin muna namin ang equation at pagkatapos ay subukang unawain ito.

F = q. (E + Vc x B)

Nakasaad dito na kapag ang isang maliit na butil ng singil q ay gumagalaw na may bilis ng v _c sa isang electromagnetic field, nakakaranas ito ng isang puwersa. Sa isang motor, ang patlang ng kuryente E ay walang katuturan. Kaya, F = q. Vc. B

Kung ang patlang ay pare-pareho sa oras sa haba ng conductor at patapat dito, maaari naming isulat ang mga equation sa itaas bilang:

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

Ipinapakita nito na ang puwersa na kumikilos sa singil ay direktang proporsyonal sa kasalukuyang.

Bumalik sa unang pigura, nakita namin na ang isang panlabas na puwersa na inilapat induces isang EMF na kung saan induces kasalukuyang sa isang risistor. Ang lahat ng enerhiya ay nawala bilang init sa risistor. Ang batas ng pag-iingat ng enerhiya ay dapat na nasiyahan at sa gayon nakukuha natin:

F. v = e. ako

Ang equation na ito ay kumakatawan sa kung paano ang mekanikal na enerhiya ay nabago sa elektrikal na enerhiya. Ang pag-aayos na ito ay tinatawag na isang linear generator.

Sa wakas ay maaari nating suriin kung paano tumatakbo ang isang motor ie kung paano ang enerhiya ng elektrisidad ay ginawang mekanikal na enerhiya. Sa figure sa ibaba, pinalitan namin ang panlabas na risistor ng isang bukol na risistor ng circuit at ngayon ay mayroong isang panlabas na mapagkukunan ng boltahe na nagbibigay ng kasalukuyang. Sa kasong ito, masusunod natin ang isang puwersang binuo (F _DEVELOPED) na ibinigay ng Batas Lorentz. Ang direksyon ng puwersa ay maaaring maitaguyod ng Right-Hand Rule na ipinakita sa ibaba

Ganito gumagana ang isang linear motor. Ang lahat ng mga motor ay nagmula sa mga pangunahing prinsipyong ito. Maraming detalyadong mga artikulo at video na makikita mo na naglalarawan sa pagpapatakbo ng brushing DC motor, brushless motor, PMSM motor, Induction motors, atbp. Kaya, hindi makatuwiran na gumawa ng isa pang artikulo na naglalarawan sa operasyon. Narito ang link sa ilan sa magagandang mga pang-edukasyon na video sa iba't ibang uri ng motor at ang pagpapatakbo nito.

Kasaysayan ng Mga Motors

• Kasaysayan, mayroong tatlong uri ng mga motor na malawakang ginamit - brush commutator DC, magkasabay at induction motor. Maraming mga application ang hinihingi ng iba't ibang bilis at DC Motors ay malawakang ginamit. Ngunit ang pagpapakilala ng mga thyristor noong 1958 at ang teknolohiyang transistor ay nagbago ng eksena.
• Ang mga inverter ay binuo na tumutulong sa isang mahusay na aplikasyon ng kontrol sa bilis. Ang mga aparato ng transistor ay maaaring i-on at i-off sa kalooban at pinapayagan itong operasyon ng PWM. Ang pangunahing mga scheme ng kontrol na binuo nang mas maaga ay mga V / f drive para sa mga induction machine.
• Sa kahanay, nagsimulang palitan ng mga permanenteng magnet ang mga coil ng patlang upang mapabuti ang kahusayan. At ang paggamit ng inverter kasama ang mga sinusoidal permanenteng magnet machine ay pinapayagan ang pag-aalis ng mga brush upang mapabuti ang buhay at pagiging maaasahan ng motor.
• Ang susunod na pangunahing hakbang ay ang kontrol ng mga brushless machine na ito. Ang teoryang may dalawang reaksyon (o teorya ng dq) ay ipinakilala ni Andre Blondel sa Pransya bago ang 1900. Pinagsama ito ng mga kumplikadong mga vector vector na pinapayagan na magmodel nang wasto ang isang makina sa pansamantala at matatag na estado. Sa kauna-unahang pagkakataon, ang dami ng elektrikal at mekanikal ay maaaring maiugnay sa bawat isa.
• Ang mga induction motor ay hindi nakakita ng maraming pagbabago hanggang noong 1960. Dalawang Aleman - Sina Blaschke at Hasse ay gumawa ng ilang mga pangunahing pagbabago na humantong sa sikat na pagkontrol ngayon ng vector ng mga induction motor. Ang pagkontrol sa Vector ay nakikipag-usap sa pansamantalang modelo ng induction motor kaysa sa matatag na estado. Bukod sa pagkontrol sa boltahe ng amplitude sa frequency ratio, kinokontrol din nito ang phase. Nakatulong ito sa induction motor na magagamit sa control ng bilis at mga aplikasyon ng servo na may mataas na dynamics.
• Ang algorithm na walang sensor ay ang susunod na malaking hakbang sa pagkontrol sa mga motor na ito. Ang kontrol ng Vector (o Control na oriented sa Field) ay nangangailangan na malaman ang posisyon ng rotor. Ang mga mamahaling posisyon ng sensor ay ginamit nang mas maaga. Ang kakayahang tantyahin ang posisyon ng rotor batay sa modelo ng motor ay pinapayagan ang mga motor na tumakbo nang walang anumang mga sensor.
• Mayroong napakakaunting mga pagbabago mula noon. Ang disenyo ng motor at ang kontrol nito higit pa o mas mababa mananatiling pareho.

Ang mga motor ay umuusbong mula pa noong huling siglo. At tinulungan sila ng electronics na magamit sa iba't ibang mga application. Ang karamihan ng elektrisidad na ginagamit sa mundong ito ay natupok ng mga motor!

Iba't ibang Mga Uri ng Motors

Ang mga motor ay maaaring maiuri sa maraming iba't ibang mga paraan. Titingnan namin ang ilan sa mga pag-uuri.

Ito ang pinaka-pangkalahatang pag-uuri. Nagkaroon ng maraming pagkalito tungkol sa mga motor ng AC at DC at mahalaga na gumawa ng pagkakaiba sa pagitan nila. Manatili tayo sa sumusunod na kombensiyon: ang mga motor na nangangailangan ng isang supply ng AC 'sa mga terminal nito' ay tinatawag na isang AC motor at kung saan maaaring tumakbo sa isang supply ng DC 'sa mga terminal nito' ay tinatawag na isang DC motor. Mahalaga ang 'Sa mga terminal nito' sapagkat tinatanggal nito kung anong uri ng electronics ang ginagamit upang patakbuhin ang motor. Halimbawa: Ang brushless DC motor ay talagang hindi maaaring tumakbo nang direkta sa supply ng DC at nangangailangan ito ng isang electronic circuit.

Ang motor ay maaaring maiuri batay sa supply ng kuryente at batay sa pagbawas - brush o brushless, tulad ng ipinakita sa ibaba

Kahit na hindi ako lalalim sa disenyo ng motor ng alinman sa mga nabanggit na motor - Mayroong dalawang mahahalagang paksa na nais kong harapin - Katahimikan at Pakikipag-ugnay ng Rotor Flux sa Stator Flux.

Pagiging matino

Ang mga aspeto ng mga parameter ng makina tulad ng paggawa ng metalikang kuwintas at inductance ay naiimpluwensyahan ng istrakturang pang-magnetiko ng makina (sa permanenteng mga magnet machine). At ang pinaka pangunahing ng aspetong iyon ay ang katalinuhan. Ang katalinuhan ay ang sukatan ng pagbabago sa pag-aatubili sa posisyon ng rotor. Hangga't ang pag-aatubili na ito ay pare-pareho sa bawat posisyon ng rotor, ang makina ay tinatawag na hindi nakasalin. Kung ang pag-aatubili ay nagbabago sa posisyon ng rotor, ang makina ay tinatawag na salin.

Bakit mahalagang maunawaan ang kabastusan? Dahil ang isang salungat na motor ay maaari nang magkaroon ng dalawang pamamaraan upang makabuo ng metalikang kuwintas. Maaari nating samantalahin ang pagkakaiba-iba ng pag-aatubili sa motor upang makabuo ng torque ng pag-aatubili kasama ang magnetikong metalikang kuwintas (ginawa ng mga magnet). Tulad ng ipinapakita sa ibaba figure maaari naming makamit ang mas mataas na mga antas ng metalikang kuwintas para sa parehong mga kasalukuyang sa pamamagitan ng pagdaragdag ng pag-aatubili na metalikang kuwintas. Mangyayari ito sa mga motor ng IPM (Interior Permanenteng Magnet). (May mga motor na purong gumagana sa epekto ng pag-aatubili ngunit hindi namin ito tatalakayin dito.) Ang susunod na paksa ay makakatulong sa iyo na maunawaan nang mas mahusay ang pag-link ng pagkilos ng bagay.

(Tandaan: Angle Advance sa ibaba ng pigura ay tumutukoy sa pagkakaiba ng phase sa pagitan ng kasalukuyang stator at air gap flux.)

Pakikipag-ugnay sa Flux sa pagitan ng Rotor at ng Stator

Ang pagkilos ng bagay sa isang motor ay naglalakbay mula sa rotor sa kabuuan ng puwang ng hangin papunta sa stator at bumalik muli sa pamamagitan ng puwang ng hangin pabalik sa rotor upang makumpleto ang loop ng patlang. Sa landas na iyon, nakikita ng pagkilos ng tao ang iba't ibang mga pag-aatubili (magnetic resistensya). Ang mga lamination (bakal) ay may napakababang pag-aatubili dahil sa mataas na μ _r (ang kamag-anak na permeabilidad ng bakal ay nasa saklaw ng libu-libo) samantalang ang puwang ng hangin ay may napakataas na pag-aatubili (μ _r ay humigit-kumulang na katumbas ng 1).

Ang MMF (magnetomotive force) na binuo sa buong bakal ay napakaliit dahil mayroon itong hindi mabibigyang pag-aatubili kumpara sa puwang ng hangin. (Ang isang analog sa de-koryenteng circuit ay: Ang isang mapagkukunan ng boltahe (magnet) ay nagtutulak ng kasalukuyang (pagkilos ng bagay) sa pamamagitan ng isang risistor (pag-aatubili ng puwang ng hangin). Ang mga conductor (bakal) na nakakonekta sa risistor ay may napakababang paglaban at maaari nating balewalain ang pagbagsak ng boltahe (Pag-drop ng MMF) sa kabuuan nito). Sa gayon ang istraktura ng stator at rotor steel ay may isang bale-wala na impluwensya at ang buong MMF ay nabuo sa buong mabisang pag-aatubili ng puwang ng hangin (ang anumang di-ferrous na materyal sa landas ng pagkilos ng bagay ay isinasaalang-alang na mayroong isang kamag-anak na permeability na katumbas ng air-gap). Ang haba ng puwang ng hangin ay bale-wala kumpara sa diameter ng rotor at maaari itong ligtas na ipalagay na ang pagkilos ng bagay mula sa rotor ay patayo sa stator.Mayroong mga fringing effects at iba pang mga hindi linya dahil sa mga puwang at ngipin ngunit sa pangkalahatan ay hindi ito pinapansin sa pagmomodelo ng makina. (HINDI mo maaaring balewalain ang mga ito kapag nagdidisenyo ng makina). Ngunit ang pagkilos ng bagay sa puwang ng hangin ay hindi lamang ibinigay ng rotor flux (mga magnet sa kaso ng permanenteng magnet machine). Ang kasalukuyang sa coil ng stator ay nag-aambag din sa pagkilos ng bagay. Ito ang pakikipag-ugnay ng 2 mga pagkilos ng bagay na ito na matukoy ang metalikang kuwintas na gawa sa motor. At ang term na naglalarawan dito ay tinatawag na mabisang link ng air gap flux linkage. Ang ideya ay hindi upang pumunta sa matematika at kunin ang mga equation ngunit upang alisin ang dalawang puntos:Ngunit ang pagkilos ng bagay sa puwang ng hangin ay hindi lamang ibinigay ng rotor flux (mga magnet sa kaso ng permanenteng magnet machine). Ang kasalukuyang sa coil ng stator ay nag-aambag din sa pagkilos ng bagay. Ito ang pakikipag-ugnay ng 2 mga pagkilos ng bagay na ito na matukoy ang metalikang kuwintas na gawa sa motor. At ang term na naglalarawan dito ay tinatawag na mabisang link ng air gap flux linkage. Ang ideya ay hindi upang pumunta sa matematika at kunin ang mga equation ngunit upang alisin ang dalawang puntos:Ngunit ang pagkilos ng bagay sa puwang ng hangin ay hindi lamang ibinigay ng rotor flux (mga magnet sa kaso ng permanenteng magnet machine). Ang kasalukuyang sa coil ng stator ay nag-aambag din sa pagkilos ng bagay. Ito ang pakikipag-ugnay ng 2 mga pagkilos ng bagay na ito na matukoy ang metalikang kuwintas na gawa sa motor. At ang term na naglalarawan dito ay tinatawag na mabisang link ng air gap flux linkage. Ang ideya ay hindi upang pumunta sa matematika at kunin ang mga equation ngunit upang alisin ang dalawang puntos:

• Nag-aalala lamang kami sa pagkilos ng bagay sa puwang ng hangin dahil ang buong MMF ay nabuo sa kabuuan nito.
• Ang mabisang ugnayan ng pagkilos ng bagay sa puwang ng hangin ay sanhi ng parehong stator kasalukuyang at rotor flux (magnet) at ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ito ay gumagawa ng metalikang kuwintas.

Ipinapakita ng nasa itaas na pigura ang rotor at stator ng iba't ibang mga uri ng motor. Ito ay kagiliw-giliw na upang malaman kung alin sa kanila ang nakaka-lantad at alin ang hindi?

Tandaan: Sa bawat isa sa mga motor na ito ang dalawang axes ay minarkahan - D at Q. (Ang Q-Axis ay ang magnetic axis at ang D-axis ay electrically patayo dito). Babalik kami sa axis ng D at Q sa mga susunod na artikulo. Hindi ito mahalaga para sa tanong sa itaas.

Sagot:

A, B, C - hindi nakakaalam, D, E, F, G, H - nakaka-salin (nakakaapekto ang mga magnet sa pag-aatubili sa iba't ibang posisyon ng rotor, tingnan sa ibaba ang pigura, sa J, K- kapwa ang rotor at stator ay hindi nakakaalam.

Tatapusin namin ang artikulong ito sa puntong ito. Marami pang matematika at pagmomodelo sa makina ang maaaring tinalakay ngunit magiging masyadong kumplikado dito. Sinasaklaw namin ang karamihan sa mga paksa na kinakailangan upang maunawaan ang kontrol ng isang motor. Ang susunod na serye ng mga artikulo ay direktang lilipat sa Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening, at lahat ng mga praktikal na aspeto ng hardware at software kung saan maaari kang makaalis sa sandaling simulan mo ang pagdidisenyo ng controller.