모터가 어떻게 회전하는지 궁금한 적이 있습니까? 관련된 기본 사항은 무엇입니까? 어떻게 제어됩니까? DC 브러시 모터는 오랫동안 시장에 나와 있으며 DC 공급 / 배터리만으로 쉽게 회전하는 반면, 유도 모터와 영구 자석 동기 모터는 복잡한 전자 장치와 제어 이론을 포함하여 효율적으로 회전합니다. DC 모터가 무엇인지 또는 다른 유형의 모터 가 무엇인지 알아보기 전에 가장 기본적인 모터 인 리니어 모터 의 작동 을 이해하는 것이 중요합니다. 이것은 우리가 모터 회전의 기초를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
저는 전력 전자 및 모터 제어 엔지니어 이고 다음 블로그는 모터 제어에 관한 것입니다. 그러나 모터 제어의 깊이로 들어가기 전에 이해해야 할 특정 주제가 있으며이 기사에서 다룰 것입니다.
- 선형 모터의 작동
- 모터의 종류와 역사
- Saliency
- 고정자와 회 전자 사이의 플럭스 상호 작용
선형 모터의 작동
파워 일렉트로닉스 엔지니어이기 때문에 모터 작동에 대해 많이 알지 못했습니다. 나는 많은 노트, 책 및 추천 비디오를 읽었습니다. 기본 전기 기계 에너지 변환 법칙 인 패러데이 및 로렌츠 힘 법칙을 다시 참조 할 때까지 일부 모터와 그 제어를 심도있게 이해하는 데 어려움을 겪었습니다. 우리는 이러한 법률을 이해하는 데 시간을 할애 할 것입니다. 여러분 중 일부는 이미 알고 있을지 모르지만 다시 한 번 살펴 보는 것이 좋습니다. 새로운 것을 배울 수 있습니다.
패러데이의 법칙
패러데이의 유도 법칙은 전선 코일의 자속과 유도 전압 사이의 관계를 나타냅니다.
e (t) = -dφ / dt… (1)
여기서 Φ 는 코일의 자속을 나타냅니다. 이것은 모터의 전기적 모델을 도출하는 데 사용되는 기본 방정식 중 하나입니다. 이 상황은 실제 모터에서는 발생하지 않습니다. 코일은 공간에 분산 된 여러 회전으로 구성되며 각 회전을 통한 자속을 고려해야하기 때문입니다. 플럭스 링키지 (λ)라는 용어는 모든 코일과 연결된 총 플럭스를 나타내며 다음 방정식으로 제공됩니다.
Φ n 은 n 번째 코일과 연결된 플럭스를 나타내고 N은 턴 수입니다. 코일은 직렬 구성에서 N 개의 단일 권선으로 구성되어 있다고 설명 할 수 있습니다. 그러므로,
λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt
마이너스 기호는 일반적으로 Lenz의 법칙에 기인합니다.
Lenz의 법칙에 따르면 다음과 같습니다. 연결된 플럭스가 변경되면 와이어 코일에서 EMF (기전력)가 유도됩니다. EMF의 극성은 저항이 그것을 가로 질러 션트되면 그 안에 흐르는 전류가 그 EMF를 유도 한 플럭스의 변화에 반대하는 것과 같습니다.
위 그림과 같이 자기장 (B̅)에 배치 된 도체 (막대)를 통해 렌츠 법칙을 이해해 보겠습니다. 적용된 힘 F 는 막대를 수평으로 움직이지만 막대는 항상 수평 전도체와 접촉합니다. 외부 저항 R은 전류가 흐르도록 션트로 사용됩니다. 따라서 배열은 전압 소스 (유도 EMF)와 저항이있는 단순한 전기 회로처럼 작동합니다. 이 루프와 연결된 플럭스는 B̅와 연결된 영역이 증가함에 따라 변경됩니다. 이것은 패러데이의 법칙 (크기는 플럭스가 얼마나 빨리 변하는 지에 따라 결정됨)과 렌츠의 법칙 (유도 된 전류가 플럭스의 변화에 반대하도록 극성이 결정됨)에 따라 회로에서 EMF를 유도합니다.
오른손 엄지 규칙은 현재의 방향을 아는 데 도움이 될 것입니다. 유도 전류의 방향으로 손가락을 구부리면 엄지 손가락이 유도 전류에 의해 생성 된 필드의 방향을 제공합니다. 이 경우 B̅ 필드로 인한 증가하는 플럭스에 대항하기 위해 우리는 종이의 평면에서 필드를 개발해야하므로 전류가 시계 반대 방향으로 흐를 것입니다. 결과적으로 터미널 A는 터미널 B보다 더 양수입니다. 부하 관점에서 플럭스가 증가함에 따라 양의 EMF가 개발되므로 방정식을 다음과 같이 작성합니다.
e (t) = d λ / dt
부하의 관점에서이 방정식을 작성할 때 음의 부호를 무시했습니다. (모터를 다루기 시작할 때도 비슷한 경우가 발생할 것입니다.) 최종 전기 회로는 아래 그림과 같은 형태를 취합니다. 논의 된 경우가 발전기에 관한 것이지만 모터 관점에서 부호 규칙을 사용했으며 아래 그림에 표시된 극성이 정확합니다. (모터 작동으로 넘어 가면 분명해질 것입니다.)
유도 된 EMF는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 1 회전 코일 (이 경우 도체)은 다음과 같은 플럭스 연결을 생성합니다.
여기서 A는 루프의 면적, l은 도체의 길이, v는 적용된 힘으로 인해로드가 움직이는 속도입니다.
위의 방정식을 보면 EMF 의 크기는 도체의 속도에 비례하고 외부 저항과는 무관 하다고 말할 수 있습니다. 그러나 외부 저항은 속도 (따라서 전류)를 유지하는 데 필요한 힘의 양을 결정합니다. 이 논의는 로렌츠 법칙의 형태로 계속 진행됩니다.
로렌츠 법
먼저 방정식을 확인한 다음 이해하려고 노력할 것입니다.
F = q. (E + Vc x B)
그것은 전하 q가 전자기장에서 v c 의 속도로 움직일 때 힘을 경험한다고 말합니다. 모터에서 전기장 E는 무관합니다. 그러므로, F = q. Vc. 비
장이 도체의 길이에 걸쳐 시간에 따라 일정하고 수직이면 위의 방정식을 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = 일 B = B. i. 엘
전하에 작용하는 힘이 전류에 정비례 함을 보여줍니다.
첫 번째 그림으로 돌아가서, 적용된 외부 힘이 저항기에서 전류를 유도하는 EMF를 유도하는 것을 보았습니다. 모든 에너지는 저항에서 열로 소산됩니다. 에너지 보존 법칙이 충족되어야하며 따라서 우리는 다음을 얻습니다.
F. v = e. 나는
이 방정식은 기계적 에너지가 전기 에너지로 변환되는 방식을 나타냅니다. 이 배열을 선형 생성기라고합니다.
마침내 모터가 어떻게 작동 하는지, 즉 전기 에너지가 기계적 에너지로 어떻게 변환되는지 확인할 수 있습니다. 아래 그림에서 외부 저항을 회로의 집중 저항으로 대체했으며 이제 전류를 공급하는 외부 전압 소스가 있습니다. 이 경우 로렌츠 법칙에 의해 개발 된 힘 (F DEVELOPED) 을 관찰합니다. 힘의 방향은 아래에 표시된 오른손 법칙으로 설정할 수 있습니다.
이것이 선형 모터가 작동하는 방식입니다. 모든 모터는 이러한 기본 원칙에서 파생됩니다. 브러시 드 DC 모터, 브러시리스 모터, PMSM 모터, 인덕션 모터 등의 작동을 설명하는 자세한 기사와 비디오가 많이 있습니다. 따라서 작동을 설명하는 기사를 하나 더 만드는 것은 의미가 없습니다. 다음은 다양한 유형의 모터 및 작동에 대한 좋은 교육용 비디오 링크입니다.
모터의 역사
- 역사적으로 널리 사용되는 모터에는 브러시 정류자 DC, 동기 및 유도 모터의 세 가지 유형이 있습니다. 많은 응용 분야에서 다양한 속도를 요구하며 DC 모터가 널리 사용되었습니다. 그러나 1958 년경 사이리스터의 도입과 트랜지스터 기술로 인해 상황이 바뀌 었습니다.
- 효율적인 속도 제어 애플리케이션에 도움이되는 인버터가 개발되었습니다. 트랜지스터 장치는 마음대로 켜고 끌 수 있으며 PWM 작동을 허용했습니다. 이전에 개발 된 기본 제어 방식은 유도 기계 용 V / f 드라이브였습니다.
- 병행하여 영구 자석은 효율성을 향상시키기 위해 필드 코일을 대체하기 시작했습니다. 그리고 정현파 영구 자석 기계와 함께 인버터를 사용하면 브러시를 제거하여 모터의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수있었습니다.
- 다음 주요 단계는 브러시리스 기계를 제어하는 것이 었습니다. 두 반응 이론 (또는 dq 이론)은 1900 년 이전에 프랑스의 Andre Blondel에 의해 도입되었습니다. 복잡한 공간 벡터와 결합되어 과도 및 정상 상태에서 정확하게 기계를 모델링 할 수 있습니다. 처음으로 전기적 및 기계적 양이 서로 관련 될 수있었습니다.
- 유도 모터는 1960 년까지 많은 변화를 보지 못했습니다. 두 명의 독일인 – Blaschke와 Hasse는 현재 유명한 유도 모터의 벡터 제어로 이어지는 몇 가지 핵심 혁신을 이루었습니다. 벡터 제어는 정상 상태가 아닌 유도 전동기의 과도 모델을 다룹니다. 전압 진폭 대 주파수 비율을 제어하는 것 외에도 위상을 제어합니다. 이것은 유도 모터가 높은 역 동성을 가진 속도 제어 및 서보 애플리케이션에 사용되는 데 도움이되었습니다.
- 센서리스 알고리즘은 이러한 모터 제어의 다음 단계였습니다. 벡터 제어 (또는 필드 지향 제어)는 로터 위치를 알아야합니다. 값 비싼 위치 센서가 이전에 사용되었습니다. 모터 모델을 기반으로 로터 위치를 추정 할 수있는 기능을 통해 모터가 센서없이 작동 할 수있었습니다.
- 그 이후로 거의 변경되지 않았습니다. 모터 설계와 제어는 거의 동일하게 유지됩니다.
모터는 지난 세기부터 진화 해 왔습니다. 그리고 전자 장치는 다양한 응용 분야에서 사용되는 데 도움이되었습니다. 이 세상에서 사용되는 전기의 대부분은 모터에 의해 소비됩니다!
다른 유형의 모터
모터는 다양한 방법으로 분류 할 수 있습니다. 일부 분류를 살펴 보겠습니다.
이것은 가장 일반적인 분류입니다. AC 및 DC 모터와 관련하여 많은 혼란이 있었으며 이들을 구별하는 것이 중요합니다. 다음 규칙을 고수합시다. '단자에서'AC 전원을 필요로하는 모터를 AC 모터라고하고 '단자에서'DC 전원으로 작동 할 수있는 모터를 DC 모터라고합니다. '그 터미널에서'는 모터를 구동하는 데 사용되는 전자 장치의 종류를 제거하기 때문에 중요합니다. 예: 브러시리스 DC 모터는 실제로 DC 전원에서 직접 작동 할 수 없으며 전자 회로가 필요합니다.
모터는 전원 공급 장치와 정류 (브러시 또는 브러시리스)를 기준으로 분류 할 수 있습니다.
위의 모터의 모터 설계에 대해 자세히 설명하지는 않지만-제가 다루고 싶은 두 가지 중요한 주제가 있습니다 . Rotor Flux와 Stator Flux의 Saliency 및 Interaction.
Saliency
토크 생성 및 인덕턴스와 같은 기계 매개 변수의 측면은 기계의 자기 구조 (영구 자석 기계에서)의 영향을받습니다. 그리고 그 측면의 가장 기본적인 것은 돌출 성입니다. Saliency는 로터 위치에 따른 저항 변화의 척도입니다. 이러한 거부감이 로터의 모든 위치에서 일정하게 유지되는 한 기계를 비 돌출이라고합니다. 로터 위치에 따라 거부감이 변하면 기계를 돌출이라고합니다.
이해하는 데 눈부심이 중요한 이유는 무엇입니까? 돌출 모터는 이제 두 가지 방법으로 토크를 생성 할 수 있기 때문입니다. 우리는 자기 토크 (자석에 의해 생성됨)와 함께 자기 토크를 생성하기 위해 모터의 자기 저항 변화를 활용할 수 있습니다. 아래 그림과 같이 릴럭 턴스 토크를 추가하여 동일한 전류에 대해 더 높은 토크 레벨을 달성 할 수 있습니다. 이것은 IPM (Interior Permanent Magnet) 모터의 경우입니다. (순전히 릴럭 턴스 효과에 대해 작동하는 모터가 있지만 여기서는 다루지 않을 것입니다.) 다음 주제는 플럭스 연결과 돌출을 훨씬 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
(참고: 아래 그림의 Angle Advance는 고정자 전류와 에어 갭 플럭스 간의 위상차를 나타냅니다.)
로터와 고정자 사이의 플럭스 상호 작용
모터의 플럭스는 로터에서 에어 갭을 거쳐 고정자로 이동하고 다시 에어 갭을 통해 로터로 되돌아와 필드 루프를 완료합니다. 이 경로에서 플럭스는 다른 저항 (자기 저항)을 봅니다. 라미네이션 (강철)은 μ r 이 높기 때문에 (강철의 상대 투자율이 수천 범위에 있음) 매우 낮은 저항을 갖는 반면, 에어 갭은 매우 높은 저항을 나타냅니다 (μr 은 대략 1과 같음).
강철을 가로 지르는 MMF (자기력)는 에어 갭에 비해 무시할 수있는 저항력을 가지므로 매우 적습니다. (전기 회로의 아날로그는 다음과 같습니다. 전압원 (자석)은 저항을 통해 전류 (유속)를 구동합니다 (공극 저항). 저항에 연결된 도체 (강철)는 저항이 매우 낮으므로 전압 강하를 무시할 수 있습니다. (MMF 하락)). 따라서 고정자 및 회 전자 강철의 구조는 무시할 수있는 영향을 미치며 전체 MMF가 유효 공극 저항에 걸쳐 개발됩니다 (유속 경로의 모든 비철 재료는 공극과 동일한 상대 투자율을 갖는 것으로 간주됩니다).. 에어 갭 길이는 로터 직경에 비해 무시할 수 있으며 로터의 플럭스가 고정자에 수직이라고 안전하게 가정 할 수 있습니다.슬롯과 톱니로 인해 프린 징 효과 및 기타 비선형 성이 있지만 일반적으로 기계 모델링에서 무시됩니다. (기계를 설계 할 때 무시할 수 없습니다). 그러나 에어 갭의 플럭스는 로터 플럭스 (영구 자석 기계의 경우 자석)에 의해서만 제공되는 것이 아닙니다. 고정자 코일의 전류도 자속에 기여합니다. 모터에 작용하는 토크를 결정하는 것은이 두 플럭스의 상호 작용입니다. 그리고 그것을 설명하는 용어를 효과적인 에어 갭 플럭스 링키지라고합니다. 아이디어는 수학으로 들어가 방정식을 유도하는 것이 아니라 두 가지 점을 제거하는 것입니다.그러나 에어 갭의 플럭스는 로터 플럭스 (영구 자석 기계의 경우 자석)에 의해서만 제공되는 것이 아닙니다. 고정자 코일의 전류도 자속에 기여합니다. 모터에 작용하는 토크를 결정하는 것은이 두 플럭스의 상호 작용입니다. 그리고 그것을 설명하는 용어를 효과적인 에어 갭 플럭스 링키지라고합니다. 아이디어는 수학으로 들어가 방정식을 유도하는 것이 아니라 두 가지 점을 제거하는 것입니다.그러나 에어 갭의 플럭스는 로터 플럭스 (영구 자석 기계의 경우 자석)에 의해서만 제공되는 것이 아닙니다. 고정자 코일의 전류도 자속에 기여합니다. 모터에 작용하는 토크를 결정하는 것은이 두 플럭스의 상호 작용입니다. 그리고 그것을 설명하는 용어를 효과적인 에어 갭 플럭스 링키지라고합니다. 아이디어는 수학으로 들어가 방정식을 유도하는 것이 아니라 두 가지 점을 제거하는 것입니다.
- 우리는 전체 MMF가이를 가로 질러 개발 될 때 에어 갭의 플럭스에만 관심이 있습니다.
- 에어 갭의 효과적인 플럭스 연결은 고정자 전류와 회 전자 플럭스 (자석)에 기인하며 이들 사이의 상호 작용은 토크를 생성합니다.
위 그림은 다른 유형의 모터의 회 전자 및 고정자를 보여줍니다. 그들 중 어느 것이 두드러지고 어떤 것이 아닌지 알아내는 것이 흥미로울 것입니다.
참고: 이러한 각 모터에는 D와 Q라는 두 개의 축이 표시되어 있습니다. (Q- 축은 자기 축이고 D- 축은 전기적으로 수직입니다). 우리는 향후 기사에서 D 및 Q 축으로 돌아갈 것입니다. 위의 질문에는 중요하지 않습니다.
대답:
A, B, C – 비 돌출, D, E, F, G, H – 돌출 (자석은 다른 회 전자 위치에서 릴럭 턴스에 영향을줍니다. 아래 그림 참조, J, K- 회 전자와 고정자 모두 비 돌출입니다..
이 시점에서이 기사를 끝낼 것입니다. 더 많은 수학과 기계 모델링에 대해 논의 할 수 있었지만 여기서는 너무 복잡해졌습니다. 모터 제어를 이해하는 데 필요한 대부분의 주제를 다루었습니다. 다음 시리즈의 기사는 FOC (Field Oriented Control), SVM (Space Vector Modulation), Flux Weakening 및 컨트롤러 설계를 시작하면 막힐 수있는 모든 실용적인 하드웨어 및 소프트웨어 측면으로 직접 이동합니다.