Fondamenti di motori: teoria e leggi per progettare un motore

Ti sei mai chiesto come gira un motore? Quali sono i fondamentali coinvolti? Come viene controllato? I motori a spazzole CC sono sul mercato da molto tempo e girano facilmente solo su un'alimentazione / batteria CC, mentre i motori a induzione e i motori sincroni a magneti permanenti implicano un'elettronica complessa e una teoria del controllo per ruotarli in modo efficiente. Prima ancora di arrivare a cosa sia un motore CC o quali sono altri tipi di motori, è importante comprendere il funzionamento del motore lineare, il motore più semplice. Questo ci aiuterà a capire i fondamenti dietro un motore che gira.

Sono un ingegnere di elettronica di potenza e controllo motori e il prossimo blog sarà sul controllo motore. Ma ci sono alcuni argomenti che è necessario comprendere prima di entrare nella profondità del controllo motorio e li tratteremo in questo articolo.

1. Funzionamento di un motore lineare
2. Tipi di motori e sua storia
3. Salienza
4. Interazione del flusso tra lo statore e il rotore

Funzionamento di un motore lineare

Essendo un ingegnere elettronico di potenza, non sapevo molto del funzionamento dei motori. Ho letto molti appunti, libri e video di riferimento. Ho avuto difficoltà a comprendere alcuni dei motori e il suo controllo in profondità fino a quando non ho fatto nuovamente riferimento alle leggi fondamentali di conversione dell'energia elettromeccanica: le leggi della forza di Faraday e Lorentz. Dedicheremo un po 'di tempo alla comprensione di queste leggi. Alcuni di voi potrebbero già saperlo, ma è bene esaminarli ancora una volta. Potresti imparare qualcosa di nuovo.

Legge di Faraday

La legge di induzione di Faraday stabilisce la relazione tra il flusso di una bobina di filo e la tensione indotta in essa.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Dove Φ rappresenta il flusso nella bobina. Questa è una delle equazioni fondamentali utilizzate per derivare il modello elettrico di un motore. Questa situazione non si verifica nei motori pratici in quanto la bobina sarebbe costituita da un numero di spire, distribuite nello spazio e dovremmo tenere conto del flusso attraverso ciascuna di queste spire. Il termine collegamento di flusso (λ) rappresenta il flusso totale collegato a tutte le bobine ed è dato dalla seguente equazione

Φ _n rappresenta il flusso collegato con n- ^esima bobina e N è il numero di spire. Può essere descritto come la bobina è formata da N spire singole in una configurazione in serie. Quindi,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Il segno meno è solitamente attribuito alla legge di Lenz.

La legge di Lenz afferma quanto segue: una EMF (forza elettromotrice) viene indotta in una bobina di filo se il flusso ad essa collegato cambia. La polarità dell'EMF è tale che se un resistore fosse deviato attraverso di esso, la corrente che scorre in esso si opporrebbe al cambiamento di flusso che ha indotto quell'EMF.

Comprendiamo la Legge di Lenz attraverso un conduttore (asta) posto in un campo magnetico (B̅) rivolto verso il basso nel piano della carta come mostrato nella figura sopra. Una forza F _applicata muove l'asta orizzontalmente ma l'asta è sempre a contatto con i conduttori orizzontali. Il resistore esterno R viene utilizzato come shunt per consentire il flusso di corrente. Quindi, la disposizione si comporta come un semplice circuito elettrico con una sorgente di tensione (l'EMF indotto) e un resistore. Il flusso collegato a questo loop sta cambiando con l'aumentare dell'area collegata con il B̅. Questo induce un EMF nel circuito secondo la legge di Faraday (l'ampiezza è decisa dalla velocità con cui cambia il flusso) e la legge di Lenz (la polarità è decisa in modo tale che la corrente indotta si opponga al cambiamento di flusso).

La regola del pollice della mano destra ci aiuterà a conoscere la direzione della corrente. Se pieghiamo le dita nella direzione della corrente indotta, il pollice darà la direzione del campo generato da quella corrente indotta. In questo caso, per opporsi all'aumento del flusso dovuto al campo B̅, dobbiamo sviluppare un campo un campo fuori dal piano della carta, e quindi la corrente scorrerà in senso antiorario. Di conseguenza, il terminale A è più positivo del terminale B. Dal punto di vista del carico, un EMF positivo viene sviluppato con flusso crescente e quindi scriveremo l'equazione come

e (t) = d λ / dt

Si noti che abbiamo ignorato il segno negativo mentre scriviamo questa equazione dal punto di vista del carico. (Un caso simile si presenterà quando inizieremo a trattare con i motori). Il circuito elettrico finale assumerà la forma come nella figura sottostante. Anche se il caso discusso è di un generatore, abbiamo utilizzato la convenzione del segno dal punto di vista del motore e la polarità mostrata nella figura sotto è corretta. (Diventerà ovvio quando passeremo al funzionamento del motore).

Possiamo calcolare l'EMF indotto come segue. Una bobina di 1 giro (conduttore in questo caso) produrrà un collegamento di flusso di:

Dove A rappresenta l'area dell'anello, l è la lunghezza del conduttore, v è la velocità con cui l'asta si muove a causa della forza applicata.

Guardando l'equazione sopra, possiamo dire che l' entità dell'EMF è proporzionale alla velocità del conduttore e indipendente dal resistore esterno. Ma il resistore esterno determinerà quanta forza è necessaria per mantenere la velocità (e quindi la corrente). Questa discussione è proseguita nella forma della legge Lorentz.

Legge Lorentz

Verificheremo prima l'equazione e poi proveremo a capirla.

F = q. (E + Vc x B)

Afferma che quando una particella di carica q si muove con una velocità di v _c in un campo elettromagnetico, subisce una forza. In un motore, il campo elettrico E è irrilevante. Quindi, F = q. Vc. B

Se il campo è costante nel tempo sulla lunghezza del conduttore e perpendicolare ad esso, possiamo scrivere le equazioni precedenti come:

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

Mostra che la forza che agisce sulla carica è direttamente proporzionale alla corrente.

Tornando alla prima figura, abbiamo visto che una forza esterna applicata induce un EMF che induce corrente in un resistore. Tutta l'energia viene dissipata come calore nella resistenza. La legge di conservazione dell'energia dovrebbe essere soddisfatta e quindi otteniamo:

F. v = e. io

Questa equazione rappresenta il modo in cui l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica. Questa disposizione è chiamata generatore lineare.

Possiamo finalmente verificare come funziona un motore, ovvero come l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica. Nella figura sottostante, abbiamo sostituito la resistenza esterna con una resistenza concentrata del circuito e ora c'è una fonte di tensione esterna che fornisce la corrente. In questo caso, osserveremo una forza sviluppata (F _SVILUPPATA) data dalla Legge di Lorentz. La direzione della forza può essere stabilita dalla regola della mano destra mostrata di seguito

Ecco come funziona un motore lineare. Tutti i motori derivano da questi principi di base. Sono disponibili molti articoli e video dettagliati che descrivono il funzionamento del motore CC con spazzole, dei motori brushless, dei motori PMSM, dei motori a induzione, ecc. Quindi, non ha senso fare un altro articolo che descriva il funzionamento. Ecco il link ad alcuni dei buoni video educativi sui diversi tipi di motori e sul loro funzionamento.

Storia dei motori

• Storicamente, ci sono stati tre tipi di motori che sono stati ampiamente utilizzati: commutatore di spazzole CC, motori sincroni e a induzione. Molte applicazioni richiedono velocità variabili e motori CC sono stati ampiamente utilizzati. Ma l'introduzione dei tiristori intorno al 1958 e la tecnologia dei transistor hanno cambiato la scena.
• Sono stati sviluppati inverter che hanno aiutato in un'applicazione di controllo della velocità efficiente. I dispositivi a transistor potevano essere accesi e spenti a piacimento e consentiva il funzionamento PWM. Gli schemi di controllo di base sviluppati in precedenza erano gli azionamenti V / f per le macchine a induzione.
• Parallelamente, i magneti permanenti hanno iniziato a sostituire le bobine di campo per migliorare l'efficienza. E l'uso di inverter insieme a macchine a magneti permanenti sinusoidali ha consentito l'eliminazione delle spazzole per migliorare la durata e l'affidabilità del motore.
• Il passo successivo importante è stato il controllo di queste macchine brushless. La teoria delle due reazioni (o teoria dq) è stata introdotta da Andre Blondel in Francia prima del 1900. È stata combinata con vettori spaziali complessi che hanno permesso di modellare accuratamente una macchina in stato transitorio e stazionario. Per la prima volta, le grandezze elettriche e meccaniche potrebbero essere messe in relazione tra loro.
• I motori a induzione non subirono molti cambiamenti fino al 1960. Due tedeschi, Blaschke e Hasse, fecero alcune innovazioni chiave che portarono all'ormai famoso controllo vettoriale dei motori a induzione. Il controllo vettoriale si occupa del modello transitorio del motore a induzione piuttosto che dello stato stazionario. Oltre a controllare il rapporto tra ampiezza della tensione e frequenza, controlla anche la fase. Ciò ha aiutato il motore a induzione a essere utilizzato nel controllo della velocità e nelle applicazioni servo con elevata dinamica.
• L'algoritmo sensorless è stato il prossimo grande passo nel controllo di questi motori. Il controllo vettoriale (o controllo orientato al campo) richiede di conoscere la posizione del rotore. In precedenza sono stati utilizzati costosi sensori di posizione. La capacità di stimare la posizione del rotore in base al modello di motore ha consentito ai motori di funzionare senza sensori.
• Da allora ci sono stati pochissimi cambiamenti. Il design del motore e il suo controllo rimangono più o meno gli stessi.

I motori si sono evoluti dal secolo scorso. E l'elettronica li ha aiutati a essere utilizzati in diverse applicazioni. La maggior parte dell'elettricità utilizzata in questo mondo viene consumata dai motori!

Diversi tipi di motori

I motori possono essere classificati in molti modi diversi. Esamineremo alcune classificazioni.

Questa è la classificazione più generale. C'è stata molta confusione riguardo ai motori AC e DC ed è importante fare una distinzione tra loro. Atteniamoci alla seguente convenzione: i motori che richiedono un'alimentazione CA "ai suoi terminali" sono chiamati motore CA e che possono funzionare con un'alimentazione CC "ai suoi terminali" sono chiamati motore CC. "Ai suoi terminali" è importante perché elimina il tipo di elettronica utilizzata per far funzionare il motore. Ad esempio: il motore CC senza spazzole in realtà non può funzionare direttamente con l'alimentazione CC e richiede un circuito elettronico.

Il motore può essere classificato in base all'alimentazione e in base alla commutazione - brush o brushless, come mostrato di seguito

Anche se non sto approfondendo la progettazione del motore di nessuno dei motori di cui sopra, ci sono due argomenti importanti di cui vorrei occuparmi: la salienza e l'interazione del flusso del rotore con il flusso dello statore.

Salienza

Aspetti dei parametri della macchina come la produzione di coppia e l'induttanza sono influenzati dalla struttura magnetica della macchina (nelle macchine a magneti permanenti). E il più fondamentale di questo aspetto è la salienza. La salienza è la misura del cambiamento nella riluttanza con la posizione del rotore. Finché questa riluttanza è costante con ogni posizione del rotore, la macchina è chiamata non saliente. Se la riluttanza cambia con la posizione del rotore, la macchina viene chiamata saliente.

Perché la salienza è importante da capire? Perché un motore saliente può ora avere due metodi per produrre coppia. Possiamo sfruttare la variazione di riluttanza nel motore per produrre coppia di riluttanza insieme alla coppia magnetica (prodotta dai magneti). Come mostrato nella figura sottostante, possiamo ottenere livelli di coppia più elevati per la stessa corrente con l'aggiunta della coppia di riluttanza. Questo sarà il caso dei motori IPM (Interior Permanent Magnet). (Ci sono motori che funzionano esclusivamente sull'effetto di riluttanza, ma non li discuteremo qui.) Il prossimo argomento ti aiuterà a capire molto meglio il collegamento del flusso e la salienza.

(Nota: l'anticipo angolare nella figura sottostante si riferisce alla differenza di fase tra la corrente dello statore e il flusso del traferro.)

Interazione del flusso tra il rotore e lo statore

Il flusso in un motore viaggia dal rotore attraverso il traferro allo statore e ritorna nuovamente attraverso il traferro al rotore per completare il circuito di campo. In quel percorso, il flusso vede diverse riluttanze (resistenza magnetica). I laminati (acciaio) hanno una riluttanza molto bassa a causa dell'elevata μ _r (la permeabilità relativa dell'acciaio è nell'intervallo di migliaia) mentre il traferro ha una riluttanza molto alta (μ _r è approssimativamente uguale a 1).

La MMF (forza magnetomotrice) sviluppata attraverso l'acciaio è molto inferiore in quanto ha una riluttanza trascurabile rispetto al traferro. (Un analogo al circuito elettrico sarebbe: una sorgente di tensione (magnete) guida la corrente (flusso) attraverso un resistore (riluttanza del traferro). I conduttori (acciaio) collegati al resistore hanno una resistenza molto bassa e possiamo ignorare la caduta di tensione (Caduta MMF) attraverso di essa). Pertanto la struttura dello statore e dell'acciaio del rotore ha un'influenza trascurabile e l'intero MMF si sviluppa attraverso l'effettiva riluttanza del traferro (si considera che qualsiasi materiale non ferroso nel percorso del flusso abbia una permeabilità relativa uguale a quella del traferro). La lunghezza del traferro è trascurabile rispetto al diametro del rotore e si può tranquillamente presumere che il flusso dal rotore sia perpendicolare allo statore.Ci sono effetti di frangia e altre non linearità dovute a fessure e denti, ma questi vengono generalmente ignorati nella modellazione della macchina. (NON PUOI ignorarli durante la progettazione della macchina). Ma il flusso nel traferro non è dato solo dal flusso del rotore (magneti in caso di macchina a magneti permanenti). Anche la corrente nella bobina dello statore contribuisce al flusso. È l'interazione di questi 2 flussi che determinerà la coppia che agisce sul motore. E il termine che lo descrive è chiamato collegamento del flusso del traferro effettivo. L'idea non è di entrare in matematica e derivare le equazioni ma di togliere due punti:Ma il flusso nel traferro non è dato solo dal flusso del rotore (magneti in caso di macchina a magneti permanenti). Anche la corrente nella bobina dello statore contribuisce al flusso. È l'interazione di questi 2 flussi che determinerà la coppia che agisce sul motore. E il termine che lo descrive è chiamato collegamento del flusso del traferro effettivo. L'idea non è di entrare in matematica e derivare le equazioni ma di togliere due punti:Ma il flusso nel traferro non è dato solo dal flusso del rotore (magneti in caso di macchina a magneti permanenti). Anche la corrente nella bobina dello statore contribuisce al flusso. È l'interazione di questi 2 flussi che determinerà la coppia che agisce sul motore. E il termine che lo descrive è chiamato collegamento del flusso del traferro effettivo. L'idea non è di entrare in matematica e derivare le equazioni ma di togliere due punti:

• Siamo interessati solo al flusso nel traferro poiché l'intero MMF si sviluppa attraverso di esso.
• L'effettivo collegamento del flusso nel traferro è dovuto sia alla corrente dello statore che al flusso del rotore (magneti) e l'interazione tra loro produce coppia.

La figura sopra mostra il rotore e lo statore di diversi tipi di motori. Sarebbe interessante scoprire quali di loro sono salienti e quali no?

Nota: in ciascuno di questi motori sono contrassegnati due assi: D e Q. (l'asse Q è l'asse magnetico e l'asse D è elettricamente perpendicolare ad esso). Torneremo all'asse D e Q nei prossimi articoli. Non è importante per la domanda precedente.

Risposta:

A, B, C - non saliente, D, E, F, G, H - saliente (i magneti influenzano la riluttanza in diverse posizioni del rotore, vedi figura sotto, in J, K- sia il rotore che lo statore sono non salienti.

Termineremo questo articolo a questo punto. Si sarebbe potuta discutere molta più matematica e modellazione di macchine, ma qui sarebbe diventata troppo complessa. Abbiamo coperto la maggior parte degli argomenti necessari per comprendere il controllo di un motore. La prossima serie di articoli si sposterà direttamente su Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening e tutti gli aspetti pratici hardware e software in cui potresti rimanere bloccato una volta iniziato a progettare il controller.