Основы построения электродвигателей: теория и законы их проектирования


Вы когда-нибудь задумывались над тем как вращается электродвигатель? Какие основные принципы при этом задействованы? Как это контролируется? Коллекторные двигатели постоянного тока присутствуют на рынке уже долгое время и легко вращаются только от источника постоянного тока/батареи, тогда как асинхронные двигатели и синхронные двигатели с постоянными магнитами используют сложную электронику и теорию управления для их эффективного вращения. Прежде чем мы перейдем к тому, что такое двигатель постоянного тока или какие есть другие типы двигателей, важно понять принцип работы линейного двигателя — самого простого электродвигателя. Это поможет нам понять основы вращения двигателя.

Основы построения электродвигателей: теория и законы их проектирования

В этой статье мы рассмотрим следующие аспекты:

  1. Работа линейного двигателя.
  2. Типы двигателей и их история.
  3. Выраженность.
  4. Взаимодействие потока между статором и ротором.

Принципы работы линейного двигателя

Иногда бывает трудно понять некоторые двигатели и их управление, пока заново не обратишься к основным законам электромеханического преобразования энергии – законам силы Фарадея и Лоренца. Мы потратим некоторое время на понимание этих законов. Некоторые из вас, возможно, уже знают это, но было бы неплохо пройти их еще раз. Возможно, вы узнаете что-то новое.

Закон Фарадея

Закон индукции Фарадея устанавливает связь между потоком катушки с проводом и индуцируемым в ней напряжением.

Где Φ представляет поток в катушке. Это одно из фундаментальных уравнений, используемых для построения электрической модели двигателя. В практических двигателях такой ситуации не происходит, поскольку катушка будет состоять из нескольких витков, распределенных в пространстве, и нам придется учитывать поток через каждый из этих витков. Термин потокосцепление (суммарный поток) (λ) представляет собой общий поток, связанный со всеми катушками, и определяется следующим уравнением:

Формула для расчета суммарного потока

Φn представляет поток, связанный с n-й катушкой, а N — количество витков. Его можно описать как катушку, состоящую из N одиночных витков, соединенных последовательно. Таким образом,

Знак минус обычно приписывают закону Ленца.

Закон Ленца гласит следующее: ЭДС (электродвижущая сила) индуцируется в катушке с проводом, если связанный с ней поток изменяется. Полярность ЭДС такова, что если к нему подключить резистор, ток, текущий в нем, будет противодействовать изменению потока, вызывающему эту ЭДС.

Схема для демонстрации закона Ленца

Давайте разберемся с законом Ленца через проводник (стержень), помещенный в магнитное поле (B̅), направленный вниз, в плоскость бумаги, как показано на рисунке выше. Приложенная сила F перемещает стержень горизонтально, но стержень всегда находится в контакте с горизонтальными проводниками. Внешний резистор R используется в качестве шунта, пропускающего ток. Таким образом, устройство действует как простая электрическая цепь с источником напряжения (индуцированной ЭДС) и резистором. Поток, связанный с этой петлей, меняется по мере увеличения площади, связанной с B̅. Это индуцирует ЭДС в цепи в соответствии с законом Фарадея (величина определяется тем, насколько быстро меняется поток) и законом Ленца (полярность определяется таким образом, чтобы индуцируемый ток противодействовал изменению потока).

Правило большого пальца правой руки поможет нам узнать направление тока . Если мы согнем пальцы в направлении индуцированного тока, то большой палец укажет направление поля, создаваемого этим индуцированным током. В этом случае, чтобы противостоять увеличению потока из-за поля B̅, нам нужно создать поле за пределами плоскости бумаги, и, следовательно, ток будет течь в направлении против часовой стрелки. В результате клемма A более положительна, чем клемма B. С точки зрения нагрузки положительная ЭДС возникает с увеличением потока, и поэтому мы запишем уравнение как

Обратите внимание, что мы проигнорировали отрицательный знак, когда писали это уравнение с точки зрения нагрузки. (Аналогичный случай возникнет, когда мы начнем заниматься двигателями). Окончательная электрическая схема примет форму, показанную на рисунке ниже. Несмотря на то, что обсуждаемый случай касается генератора, мы использовали соглашение о знаках с точки зрения двигателя, и полярность, показанная на рисунке ниже, является правильной. (Это станет очевидно, когда мы перейдем к работе двигателя).  

Схема для понимания работы электродвигателя

Мы можем рассчитать индуцированную ЭДС следующим образом. Катушка из 1 витка (в данном случае проводник) будет создавать потокосцепление:

Формула для расчета ЭДС двигателя

Где A представляет площадь петли, l — длина проводника, v — скорость, с которой стержень движется под действием приложенной силы.

Глядя на приведенное выше уравнение, мы можем сказать, что величина ЭДС пропорциональна скорости проводника и не зависит от внешнего резистора. Но внешний резистор будет определять, какая сила необходима для поддержания скорости (и, следовательно, тока). Это обсуждение продолжается в форме закона Лоренца.

Закон Лоренца

Сначала мы проверим уравнение, а затем попытаемся его понять.

Он гласит, что когда частица с зарядом q движется со скоростью Vc в электромагнитном поле, на нее действует сила. В двигателе электрическое поле E не имеет значения. Таким образом,

Если поле постоянно во времени по длине проводника и перпендикулярно ему, мы можем записать приведенные выше уравнения как:

Оно показывает, что сила, действующая на заряд, прямо пропорциональна току.

Возвращаясь к первому рисунку, мы видели, что приложенная внешняя сила индуцирует ЭДС, которая индуцирует ток в резисторе. Вся энергия рассеивается в виде тепла на резисторе. Закон сохранения энергии должен выполняться и отсюда получаем:

Это уравнение показывает, как механическая энергия преобразуется в электрическую. Такое устройство называется линейным генератором.

Наконец-то мы можем проверить, как работает двигатель, т.е. как электрическая энергия преобразуется в механическую. На рисунке ниже мы заменили внешний резистор на резистор с сосредоточенными параметрами схемы, и теперь есть внешний источник напряжения, который подает ток. В этом случае мы будем наблюдать развиваемую силу (FDEVELOPED), заданную законом Лоренца. Направление силы можно установить с помощью правила правой руки, показанного ниже.

Правило правой руки для электромагнитного поля

Схема для демонстрации закона Лоренца

Таким образом работает линейный двигатель. Все электродвигатели основаны на этих основных принципах. Вы найдете множество подробных статей и видеороликов, описывающих работу коллекторного двигателя постоянного тока, бесщеточных двигателей, двигателей с постоянными магнитами, асинхронных двигателей и т. д. Поэтому нет смысла писать еще одну статью с описанием их работы. Вот ссылка на несколько хороших обучающих видеороликов о различных типах двигателей и их эксплуатации.

История электродвигателей

  • Исторически сложилось так, что широкое распространение получили три типа двигателей: коллекторные двигатели постоянного тока, синхронные и асинхронные двигатели. Многие приложения требуют переменной скорости, поэтому широко использовались двигатели постоянного тока. Но появление тиристоров примерно в 1958 году и транзисторной технологии изменили ситуацию.
  • Были разработаны инверторы, которые помогли эффективно контролировать скорость. Транзисторные устройства можно было включать и выключать по желанию, что позволяло работать с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). Базовыми схемами управления, разработанными ранее, были V/f приводы для асинхронных машин.
  • Параллельно с этим постоянные магниты начали заменять катушки возбуждения для повышения эффективности. А использование инвертора вместе с синусоидальными машинами с постоянными магнитами позволило отказаться от щеток, чтобы увеличить срок службы и надежность двигателя.
  • Следующим важным шагом стал контроль над этими бесщеточными двигателямиТеория двух реакций была представлена ​​Андре Блонделем во Франции до 1900 года. Она сочеталась со сложными пространственными векторами, что позволяло точно моделировать машину в переходном и устойчивом состояниях. Впервые электрические и механические величины могли быть связаны друг с другом.   
  • Асинхронные двигатели не претерпели особых изменений до 1960 года. Два немца – Бляшке и Хассе внесли несколько ключевых инноваций, которые привели к созданию теперь известного векторного управления асинхронными двигателями. Векторное управление имеет дело с переходной моделью асинхронного двигателя, а не с установившимся режимом. Помимо управления соотношением амплитуды напряжения и частоты, он также контролирует фазу. Это помогло использовать асинхронный двигатель в системах управления скоростью и сервоприводах с высокой динамикой.
  • Безсенсорный алгоритм стал следующим большим шагом в управлении этими двигателями. Векторное управление (или полеориентированное управление) требует знания положения ротора. Раньше использовались дорогие датчики положения. Возможность оценить положение ротора на основе модели двигателя позволила двигателям работать без каких-либо датчиков.
  • С тех пор изменений произошло очень мало. Конструкция мотора и его управление более-менее остались прежними.

    Двигатели развивались с прошлого века. А электроника помогла их использовать в различных приложениях. Большую часть электроэнергии, используемой в нашем мире, потребляют именно электродвигатели!

Различные типы электродвигателей

Электродвигатели можно классифицировать по-разному. Одна из их классификаций приведена на следующем рисунке.

Общая классификация электродвигателей

Это самая общая классификация. Существует много путаницы в отношении двигателей переменного и постоянного тока, и важно проводить между ними различие. Давайте придерживаться следующего соглашения: двигатели, которым требуется питание переменного тока «на своих клеммах», называются двигателем переменного тока, а которые могут работать от источника постоянного тока «на своих клеммах», называются двигателем постоянного тока. «На своих клеммах» важно, потому что оно исключает какая электроника используется для управления двигателем. Например: бесщеточный двигатель постоянного тока фактически не может работать напрямую от источника постоянного тока, и его работы требуется специальная электронная схема.

Электродвигатели также можно классифицировать по источнику питания и по способу коммутации – щеточный или бесщеточный, как показано ниже.

Классификация электродвигателей по типу источника питания

Классификация электродвигателей по способу коммутации

Хотя в данной статье мы не будем углубляться в конструкцию любого из вышеперечисленных двигателей, но есть две важные темы, которые я хотел бы затронуть: выраженность и взаимодействие потока ротора с потоком статора.

Выраженность/полюсность (Saliency)

На такие аспекты параметров машины, как производство крутящего момента и индуктивность, влияет магнитная структура машины (в машинах с постоянными магнитами). И самым основным из этих аспектов является выраженность (заметность). Выраженность - это мера изменения сопротивления в зависимости от положения ротора. Пока это сопротивление постоянно при каждом положении ротора, двигатель называется неявнополюсным. Если сопротивление меняется в зависимости от положения ротора, машина называется явнополюсным.

Почему полюсность важно понимать? Потому что теперь явнополюсный двигатель может иметь два метода создания крутящего момента. Мы можем воспользоваться изменением сопротивления двигателя для создания реактивного момента вместе с магнитным моментом (создаваемым магнитами). Как показано на рисунке ниже, мы можем достичь более высоких уровней крутящего момента для того же тока, добавив реактивный крутящий момент. Это относится и к двигателям IPM (внутренний постоянный магнит). (Есть двигатели, которые работают исключительно на эффекте сопротивления, но мы не будем их здесь обсуждать.) Следующий раздел статьи поможет вам лучше понять потокосцепление и полюсность.

Зависимость между крутящим моментом и углом опережения

Взаимодействие потока между ротором и статором

Поток в двигателе проходит от ротора через воздушный зазор к статору и снова возвращается через воздушный зазор обратно к ротору, замыкая контур возбуждения. На этом пути поток испытывает различные сопротивления (магнитное сопротивление). Пластины (сталь) имеют очень низкое сопротивление из-за высокого значения μ r (относительная проницаемость стали находится в пределах тысяч), тогда как воздушный зазор имеет очень высокое сопротивление (μ r примерно равно 1).

МДС (магнитодвижущая сила), развивающаяся в стали, очень мала, поскольку она имеет незначительное сопротивление по сравнению с воздушным зазором. (Аналогом электрической цепи может быть: источник напряжения (магнит) пропускает ток (поток) через резистор (сопротивление воздушного зазора). Проводники (сталь), подключенные к резистору, имеют очень низкое сопротивление, и мы можем игнорировать падение напряжения (капля ММФ) через него). Таким образом, структура стали статора и ротора оказывает незначительное влияние, и вся МДС создается за счет эффективного сопротивления воздушного зазора (считается, что любой материал из цветных металлов на пути магнитного потока имеет относительную проницаемость, равную проницаемости воздушного зазора). Длина воздушного зазора незначительна по сравнению с диаметром ротора, и можно с уверенностью предположить, что поток от ротора перпендикулярен статору. Существуют эффекты окантовки и другие нелинейности из-за пазов и зубцов, но они обычно игнорируются при моделировании машины. (но вы НЕ МОЖЕТЕ игнорировать их при проектировании машины). Но поток в воздушном зазоре определяется не только потоком ротора (магнитами в случае двигателя с постоянными магнитами). Ток в обмотке статора также способствует увеличению магнитного потока. Именно взаимодействие этих двух потоков будет определять крутящий момент, действующий на двигатель. И термин, который описывает это, называется эффективной потокосвязью воздушного зазора. Идея состоит не в том, чтобы углубляться в математику и выводить уравнения, а в том, чтобы убрать два момента:

  • Нас интересует только поток в воздушном зазоре, так как все МДС развито через него.
  • Эффективная потокосвязь в воздушном зазоре обусловлена ​​как током статора, так и потоком ротора (магнитов), и взаимодействие между ними создает крутящий момент.

Путь магнитного потока в бесщеточном двигателе постоянного тока

Различные виды статоров и роторов в электродвигателях

На рисунке выше показаны ротор и статор двигателей разных типов.  Было бы интересно узнать, какие из них существенны, а какие нет?

Примечание. В каждом из этих двигателей отмечены две оси — D и Q. (Ось Q — это магнитная ось, а ось D электрически перпендикулярна ей). 

Ответ:

A,B,C – неявнополюсные, D,E,F,G,H – явновыраженные/явнополюсные (магниты влияют на сопротивление в разных положениях ротора, см. рисунок ниже, в J,K - и ротор, и статор неявнополюсные).

Влияние полюсности в электродвигателях

На этом мы закончим эту статью. Можно было бы обсудить гораздо больше математики и машинного моделирования, но здесь это было бы слишком сложно. Мы рассмотрели большинство тем, которые необходимы для понимания управления электродвигателем.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
31 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *