Grundlagen von Motoren - Theorie und Gesetze zur Konstruktion eines Motors

Haben Sie sich jemals gefragt, wie sich ein Motor dreht? Was sind die Grundlagen? Wie wird es gesteuert? Die DC-Bürstenmotoren sind seit langer Zeit auf dem Markt und drehen sich leicht mit nur einer DC-Versorgung / Batterie, während die Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren eine komplexe Elektronik und Steuerungstheorie erfordern, um sie effizient zu drehen. Bevor wir überhaupt zu einem Gleichstrommotor oder anderen Motortypen kommen, ist es wichtig, die Funktionsweise des Linearmotors - des grundlegendsten Motors - zu verstehen. Dies wird uns helfen, die Grundlagen eines sich drehenden Motors zu verstehen.

Ich bin ein Ingenieur für Leistungselektronik und Motorsteuerung und der nächste Blog würde sich mit Motorsteuerung befassen. Es gibt jedoch bestimmte Themen, die verstanden werden müssen, bevor auf die Tiefe der Motorsteuerung eingegangen wird, und wir werden sie in diesem Artikel behandeln.

1. Betrieb eines Linearmotors
2. Motortypen und ihre Geschichte
3. Ausstrahlung
4. Flusswechselwirkung zwischen Stator und Rotor

Betrieb eines Linearmotors

Als Ingenieur für Leistungselektronik wusste ich nicht viel über den Betrieb von Motoren. Ich habe viele Notizen, Bücher und Videos gelesen. Es fiel mir schwer, einige der Motoren und ihre Steuerung eingehend zu verstehen, bis ich mich erneut auf die grundlegenden elektromechanischen Energieumwandlungsgesetze bezog - Faraday- und Lorentz-Kraftgesetze. Wir werden einige Zeit damit verbringen, diese Gesetze zu verstehen. Einige von Ihnen wissen es vielleicht schon, aber es ist gut, sie noch einmal durchzugehen. Sie könnten etwas Neues lernen.

Faradays Gesetz

Das Faradaysche Induktionsgesetz gibt die Beziehung zwischen dem Fluss einer Drahtspule und der darin induzierten Spannung an.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Wobei Φ den Fluss in der Spule darstellt. Dies ist eine der Grundgleichungen, die zur Ableitung des elektrischen Modells eines Motors verwendet werden. Diese Situation tritt bei praktischen Motoren nicht auf, da die Spule aus mehreren im Raum verteilten Windungen bestehen würde und wir den Fluss durch jede dieser Windungen berücksichtigen müssten. Der Begriff Flussverknüpfung (λ) stellt den Gesamtfluss dar, der mit allen Spulen verbunden ist, und ist durch die folgende Gleichung gegeben

Φ _n repräsentiert den mit der n- ^ten Spule verbundenen Fluss und N ist die Anzahl der Windungen. Es kann beschrieben werden, dass die Spule aus N einzelnen Windungen in einer Reihenkonfiguration besteht. So,

λ = Nφe (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Das Minuszeichen wird normalerweise dem Lenzschen Gesetz zugeschrieben.

Das Lenzsche Gesetz besagt Folgendes: Eine EMF (elektromotorische Kraft) wird in einer Drahtspule induziert, wenn sich der damit verbundene Fluss ändert. Die Polarität der EMF ist so, dass, wenn ein Widerstand über sie geschoben würde, der darin fließende Strom der Änderung des Flusses entgegenwirken würde, die diese EMF induzierte.

Lassen Sie uns das Lenz-Gesetz durch einen Leiter (Stab) verstehen, der in einem Magnetfeld (B̅) angeordnet ist, das nach unten in die Papierebene zeigt (siehe Abbildung oben). Eine Kraft F _angelegt bewegt sich die Stange horizontal, sondern sich die Stange immer in Kontakt mit den horizontalen Leitern. Der externe Widerstand R wird als Nebenschluss verwendet, damit der Strom fließen kann. Die Anordnung wirkt also wie ein einfacher Stromkreis mit einer Spannungsquelle (der induzierten EMF) und einem Widerstand. Der mit dieser Schleife verbundene Fluss ändert sich, wenn die mit B̅ verbundene Fläche zunimmt. Dies induziert eine EMF in der Schaltung gemäß dem Faradayschen Gesetz (die Größe wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich der Fluss ändert) und dem Lenzschen Gesetz (die Polarität wird so festgelegt, dass der induzierte Strom der Änderung des Flusses entgegenwirkt).

Die Faustregel für die rechte Hand hilft uns dabei, die Richtung des Stroms zu kennen. Wenn wir unsere Finger in Richtung des induzierten Stroms krümmen, gibt der Daumen die Richtung des erzeugten Feldes durch diesen induzierten Strom an. In diesem Fall müssen wir, um dem zunehmenden Fluss aufgrund des B̅-Feldes entgegenzuwirken, ein Feld entwickeln, das außerhalb der Papierebene liegt, und daher fließt der Strom gegen den Uhrzeigersinn. Infolgedessen ist Klemme A positiver als Klemme B. Unter Lastgesichtspunkten wird mit zunehmendem Fluss eine positive EMF entwickelt, und daher werden wir die Gleichung als schreiben

e (t) = d & lgr; / dt

Beachten Sie, dass wir das negative Vorzeichen beim Schreiben dieser Gleichung aus Sicht der Last ignoriert haben. (Ein ähnlicher Fall wird auftreten, wenn wir uns mit Motoren befassen). Der endgültige Stromkreis hat die Form wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Obwohl es sich bei dem diskutierten Fall um einen Generator handelt, haben wir die Vorzeichenkonvention aus motorischer Sicht verwendet und die in der folgenden Abbildung gezeigte Polarität ist korrekt. (Es wird offensichtlich, wenn wir zum Motorbetrieb übergehen).

Wir können die induzierte EMF wie folgt berechnen. Eine Spule mit 1 Windung (in diesem Fall Leiter) erzeugt eine Flussverbindung von:

Wobei A die Fläche der Schleife darstellt, l die Länge des Leiters ist, v die Geschwindigkeit ist, mit der sich der Stab aufgrund der ausgeübten Kraft bewegt.

Wenn wir uns die obige Gleichung ansehen, können wir sagen, dass die Größe der EMF proportional zur Geschwindigkeit des Leiters und unabhängig vom externen Widerstand ist. Der externe Widerstand bestimmt jedoch, wie viel Kraft benötigt wird, um die Geschwindigkeit (und damit den Strom) aufrechtzuerhalten. Diese Diskussion wird in Form des Lorentz-Gesetzes fortgesetzt.

Lorentz-Gesetz

Wir werden zuerst die Gleichung überprüfen und dann versuchen, sie zu verstehen.

F = q. (E + Vc x B)

Es heißt, wenn sich ein Ladungsteilchen q mit einer Geschwindigkeit von v _c in einem elektromagnetischen Feld bewegt, erfährt es eine Kraft. In einem Motor ist das elektrische Feld E irrelevant. So, F = q. Vc. B.

Wenn das Feld über die Länge des Leiters zeitlich konstant und senkrecht dazu ist, können wir die obigen Gleichungen wie folgt schreiben:

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

Es zeigt, dass die auf die Ladung wirkende Kraft direkt proportional zum Strom ist.

Zurück zur ersten Figur haben wir gesehen, dass eine externe Kraft eine EMK induziert, die Strom in einem Widerstand induziert. Die gesamte Energie wird als Wärme im Widerstand abgeführt. Das Gesetz der Energieerhaltung sollte erfüllt sein und daher erhalten wir:

F. v = e. ich

Diese Gleichung zeigt, wie mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Anordnung wird als Lineargenerator bezeichnet.

Wir können endlich herausfinden, wie ein Motor läuft, dh wie die elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. In der folgenden Abbildung haben wir den externen Widerstand durch einen konzentrierten Widerstand der Schaltung ersetzt, und jetzt gibt es eine externe Spannungsquelle, die den Strom liefert. In diesem Fall werden wir eine Kraft beobachten, die durch das Lorentz-Gesetz entwickelt (F _ENTWICKELT) wird. Die Richtung der Kraft kann durch die unten gezeigte Rechtsregel festgelegt werden

So funktioniert ein Linearmotor. Alle Motoren leiten sich von diesen Grundprinzipien ab. Es gibt viele detaillierte Artikel und Videos, die den Betrieb von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, bürstenlosen Motoren, PMSM-Motoren, Induktionsmotoren usw. beschreiben. Daher ist es nicht sinnvoll, einen weiteren Artikel zu erstellen, der den Betrieb beschreibt. Hier ist der Link zu einigen der guten Lehrvideos zu verschiedenen Motortypen und deren Betrieb.

Geschichte der Motoren

• In der Vergangenheit gab es drei Arten von Motoren, die weit verbreitet waren - Bürstenkommutator-Gleichstrom-, Synchron- und Induktionsmotoren. Viele Anwendungen erfordern unterschiedliche Drehzahlen und Gleichstrommotoren wurden häufig verwendet. Aber die Einführung von Thyristoren um 1958 und die Transistortechnologie veränderten die Szene.
• Es wurden Wechselrichter entwickelt, die zu einer effizienten Geschwindigkeitsregelung beitrugen. Die Transistorvorrichtungen konnten nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden und ermöglichten den PWM-Betrieb. Die grundlegenden Steuerungsschemata, die früher entwickelt wurden, waren U / f-Antriebe für Induktionsmaschinen.
• Parallel dazu ersetzten Permanentmagnete die Feldspulen, um die Effizienz zu verbessern. Die Verwendung eines Umrichters zusammen mit sinusförmigen Permanentmagnetmaschinen ermöglichte den Wegfall von Bürsten, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Motors zu verbessern.
• Der nächste große Schritt war die Steuerung dieser bürstenlosen Maschinen. Die Zwei-Reaktions-Theorie (oder dq-Theorie) wurde von Andre Blondel in Frankreich vor 1900 eingeführt. Sie wurde mit komplexen Raumvektoren kombiniert, die es ermöglichten, eine Maschine im transienten und stationären Zustand genau zu modellieren. Zum ersten Mal konnten die elektrischen und mechanischen Größen miteinander in Beziehung gesetzt werden.
• Induktionsmotoren haben sich bis 1960 kaum verändert. Zwei Deutsche - Blaschke und Hasse - haben einige wichtige Neuerungen vorgenommen, die zur mittlerweile berühmten Vektorsteuerung von Induktionsmotoren führten. Die Vektorsteuerung befasst sich eher mit dem Übergangsmodell des Induktionsmotors als mit dem stationären Zustand. Neben der Steuerung des Verhältnisses von Spannungsamplitude zu Frequenz wird auch die Phase gesteuert. Dies half dem Induktionsmotor, in Drehzahlregelungs- und Servoanwendungen mit hoher Dynamik eingesetzt zu werden.
• Der sensorlose Algorithmus war der nächste große Schritt bei der Steuerung dieser Motoren. Die Vektorsteuerung (oder feldorientierte Steuerung) erfordert die Kenntnis der Rotorposition. Früher wurden teure Positionssensoren verwendet. Die Möglichkeit, die Rotorposition basierend auf dem Motormodell abzuschätzen, ermöglichte es den Motoren, ohne Sensoren zu laufen.
• Seitdem wurden nur sehr wenige Änderungen vorgenommen. Das Motordesign und seine Steuerung bleiben mehr oder weniger gleich.

Motoren haben sich seit dem letzten Jahrhundert weiterentwickelt. Und die Elektronik hat ihnen geholfen, in verschiedenen Anwendungen eingesetzt zu werden. Der größte Teil des auf dieser Welt verbrauchten Stroms wird von Motoren verbraucht!

Verschiedene Motortypen

Die Motoren können auf viele verschiedene Arten klassifiziert werden. Wir werden uns einige der Klassifikationen ansehen.

Dies ist die allgemeinste Klassifizierung. Es gab viel Verwirrung in Bezug auf AC- und DC-Motoren und es ist wichtig, zwischen ihnen zu unterscheiden. Halten wir uns an die folgende Konvention: Die Motoren, die eine Wechselstromversorgung "an ihren Klemmen" benötigen, werden als Wechselstrommotor bezeichnet und die mit einer Gleichstromversorgung "an ihren Klemmen" betrieben werden können, werden als Gleichstrommotor bezeichnet. "An seinen Klemmen" ist wichtig, da dadurch nicht mehr mit welcher Elektronik der Motor betrieben wird. Zum Beispiel: Der bürstenlose Gleichstrommotor kann tatsächlich nicht direkt mit Gleichstrom betrieben werden und benötigt eine elektronische Schaltung.

Der Motor kann basierend auf der Stromversorgung und basierend auf der Kommutierung klassifiziert werden - bürstenlos oder bürstenlos, wie unten gezeigt

Obwohl ich mich nicht eingehend mit dem Motordesign eines der oben genannten Motoren befasse - Es gibt zwei wichtige Themen, mit denen ich mich befassen möchte - Ausprägung und Wechselwirkung von Rotorfluss mit Statorfluss.

Ausstrahlung

Aspekte von Maschinenparametern wie Drehmomenterzeugung und Induktivität werden von der magnetischen Struktur der Maschine (bei Permanentmagnetmaschinen) beeinflusst. Und das Grundlegendste an diesem Aspekt ist die Ausstrahlung. Die Ausprägung ist das Maß für die Änderung der Reluktanz mit der Rotorposition. Solange dieser Widerstand bei jeder Position des Rotors konstant ist, wird die Maschine als nicht ausgeprägt bezeichnet. Wenn sich der Widerstand mit der Rotorposition ändert, wird die Maschine als ausgeprägt bezeichnet.

Warum ist es wichtig zu verstehen, dass es auffällt? Denn ein hervorstechender Motor kann jetzt zwei Methoden zur Erzeugung von Drehmoment haben. Wir können die Reluktanzschwankung im Motor nutzen, um ein Reluktanzdrehmoment zusammen mit dem magnetischen Drehmoment (das von den Magneten erzeugt wird) zu erzeugen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, können wir durch Hinzufügen eines Reluktanzdrehmoments höhere Drehmomente für denselben Strom erzielen. Dies ist bei IPM-Motoren (Interior Permanent Magnet) der Fall. (Es gibt Motoren, die nur mit dem Reluktanzeffekt arbeiten, aber wir werden sie hier nicht diskutieren.) Das nächste Thema wird Ihnen helfen, die Flussverknüpfung und die Ausprägung viel besser zu verstehen.

(Hinweis: Der Winkelvorschub in der folgenden Abbildung bezieht sich auf die Phasendifferenz zwischen dem Statorstrom und dem Luftspaltfluss.)

Flusswechselwirkung zwischen Rotor und Stator

Der Fluss in einem Motor wandert vom Rotor über den Luftspalt zum Stator und kommt durch den Luftspalt wieder zum Rotor zurück, um die Feldschleife zu vervollständigen. Auf diesem Weg sieht der Fluss unterschiedliche Reluktanzen (magnetischer Widerstand). Laminierungen (Stahl) weisen aufgrund des hohen μ _r eine sehr geringe Reluktanz auf (die relative Permeabilität von Stahl liegt im Bereich von Tausenden), während der Luftspalt eine sehr hohe Reluktanz aufweist (μ _r ist ungefähr gleich 1).

Die über den Stahl entwickelte MMF (magnetomotorische Kraft) ist sehr gering, da sie im Vergleich zum Luftspalt einen vernachlässigbaren Widerstand aufweist. (Ein Analogon zum Stromkreis wäre: Eine Spannungsquelle (Magnet) treibt Strom (Fluss) durch einen Widerstand (Luftspaltwiderstand). Die mit dem Widerstand verbundenen Leiter (Stahl) haben einen sehr geringen Widerstand und wir können den Spannungsabfall ignorieren (MMF fallen) darüber). Somit hat die Struktur des Stator- und Rotorstahls einen vernachlässigbaren Einfluss und der gesamte MMF wird über den effektiven Luftspaltwiderstand entwickelt (jedes Nichteisenmaterial im Flusspfad wird als eine relative Permeabilität gleich der des Luftspalts angesehen). Die Luftspaltlänge ist im Vergleich zum Rotordurchmesser vernachlässigbar und es kann davon ausgegangen werden, dass der Fluss vom Rotor senkrecht zum Stator ist.Es gibt Randeffekte und andere Nichtlinearitäten aufgrund von Schlitzen und Zähnen, die jedoch bei der Modellierung der Maschine im Allgemeinen ignoriert werden. (Sie können sie beim Entwerfen der Maschine NICHT ignorieren). Der Fluss im Luftspalt ist jedoch nicht nur durch den Rotorfluss (Magnete bei Permanentmagnetmaschinen) gegeben. Der Strom in der Statorspule trägt ebenfalls zum Fluss bei. Es ist das Zusammenspiel dieser beiden Flüsse, das das auf den Motor wirkende Drehmoment bestimmt. Und der Begriff, der es beschreibt, wird als effektive Luftspaltflussverbindung bezeichnet. Die Idee ist nicht, in die Mathematik zu gehen und die Gleichungen abzuleiten, sondern zwei Punkte wegzunehmen:Der Fluss im Luftspalt ist jedoch nicht nur durch den Rotorfluss (Magnete bei Permanentmagnetmaschinen) gegeben. Der Strom in der Statorspule trägt ebenfalls zum Fluss bei. Es ist das Zusammenspiel dieser beiden Flüsse, das das auf den Motor wirkende Drehmoment bestimmt. Und der Begriff, der es beschreibt, wird als effektive Luftspaltflussverbindung bezeichnet. Die Idee ist nicht, in die Mathematik zu gehen und die Gleichungen abzuleiten, sondern zwei Punkte wegzunehmen:Der Fluss im Luftspalt ist jedoch nicht nur durch den Rotorfluss (Magnete bei Permanentmagnetmaschinen) gegeben. Der Strom in der Statorspule trägt ebenfalls zum Fluss bei. Es ist das Zusammenspiel dieser beiden Flüsse, das das auf den Motor wirkende Drehmoment bestimmt. Und der Begriff, der es beschreibt, wird als effektive Luftspaltflussverbindung bezeichnet. Die Idee ist nicht, in die Mathematik zu gehen und die Gleichungen abzuleiten, sondern zwei Punkte wegzunehmen:

• Wir befassen uns nur mit dem Fluss im Luftspalt, während der gesamte Geldmarktfonds darüber entwickelt wird.
• Die effektive Flussverknüpfung im Luftspalt ist sowohl auf den Statorstrom als auch auf den Rotorfluss (Magnete) zurückzuführen, und die Wechselwirkung zwischen ihnen erzeugt ein Drehmoment.

Die obige Abbildung zeigt den Rotor und den Stator verschiedener Motortypen. Es wäre interessant herauszufinden, welche von ihnen hervorstechend sind und welche nicht?

Hinweis: In jedem dieser Motoren sind zwei Achsen markiert - D und Q. (Q-Achse ist die magnetische Achse und D-Achse ist elektrisch senkrecht dazu). Wir werden in zukünftigen Artikeln auf die D- und Q-Achse zurückkommen. Es ist nicht wichtig für die obige Frage.

Antworten:

A, B, C - nicht ausgeprägt, D, E, F, G, H - ausgeprägt (die Magnete beeinflussen den Widerstand in verschiedenen Rotorpositionen, siehe Abbildung unten, in J, K - sowohl der Rotor als auch der Stator sind nicht ausgeprägt.

Wir werden diesen Artikel an dieser Stelle beenden. Es hätte viel mehr Mathematik und Maschinenmodellierung diskutiert werden können, aber es würde hier zu komplex werden. Wir haben die meisten Themen behandelt, die zum Verständnis der Steuerung eines Motors erforderlich sind. Die nächste Artikelserie befasst sich direkt mit feldorientierter Steuerung (FOC), Raumvektormodulation (SVM), Flussschwächung und allen praktischen Hardware- und Softwareaspekten, bei denen Sie möglicherweise stecken bleiben, wenn Sie mit dem Entwurf des Controllers beginnen.