Fondamentaux des moteurs - théorie et lois pour concevoir un moteur

Vous êtes-vous déjà demandé comment un moteur tourne? Quels sont les fondamentaux impliqués? Comment est-il contrôlé? Les moteurs à balais CC sont sur le marché depuis longtemps et ils tournent facilement sur une seule alimentation CC / batterie, tandis que les moteurs à induction et les moteurs synchrones à aimants permanents impliquent une électronique complexe et une théorie de contrôle pour les faire tourner efficacement. Avant même d'arriver à ce qu'est un moteur à courant continu ou à quels autres types de moteurs, il est important de comprendre le fonctionnement du moteur linéaire - le moteur le plus élémentaire. Cela nous aidera à comprendre les principes de base d'un moteur qui tourne.

Je suis ingénieur en électronique de puissance et contrôle moteur et le prochain blog sera consacré au contrôle moteur. Mais il y a certains sujets qu'il est nécessaire de comprendre avant d'entrer dans la profondeur du contrôle moteur et nous les aborderons dans cet article.

1. Fonctionnement d'un moteur linéaire
2. Types de moteurs et son histoire
3. Saillance
4. Interaction de flux entre le stator et le rotor

Fonctionnement d'un moteur linéaire

Étant ingénieur en électronique de puissance, je ne connaissais pas grand-chose au fonctionnement des moteurs. J'ai lu de nombreuses notes, livres et vidéos référées. J'ai eu du mal à comprendre certains moteurs et leur contrôle en profondeur jusqu'à ce que je me réfère à nouveau aux lois de base de conversion d'énergie électromécanique - les lois de force de Faraday et de Lorentz. Nous passerons du temps à comprendre ces lois. Certains d'entre vous le savent peut-être déjà, mais il est bon de les revoir une fois de plus. Vous pourriez apprendre quelque chose de nouveau.

Loi de Faraday

La loi d'induction de Faraday énonce la relation entre le flux d'une bobine de fil et la tension induite en elle.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Où Φ représente le flux dans la bobine. C'est l'une des équations fondamentales utilisées pour dériver le modèle électrique d'un moteur. Cette situation ne se produit pas dans les moteurs pratiques car la bobine serait constituée d'un certain nombre de spires, réparties dans l'espace et il faudrait tenir compte du flux à travers chacun de ces spires. Le terme lien de flux (λ) représente le flux total lié à toutes les bobines et il est donné par l'équation suivante

Φ _n représente le flux lié à la n ^ième bobine et N est le nombre de tours. Il peut être décrit comme la bobine est formée de N spires simples dans une configuration en série. Donc,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Le signe moins est généralement attribué à la loi de Lenz.

La loi de Lenz stipule ce qui suit: Un EMF (force électromotrice) est induit dans une bobine de fil si le flux qui lui est lié change. La polarité de l'EMF est telle que si une résistance était shuntée à travers elle, le courant qui y circule s'opposerait au changement de flux qui a induit cet EMF.

Comprenons la loi de Lenz à travers un conducteur (tige) placé dans un champ magnétique (B̅) pointant vers le bas dans le plan du papier comme indiqué ci-dessus. Une force F _appliquée déplace la tige horizontalement mais la tige est toujours en contact avec les conducteurs horizontaux. La résistance externe R est utilisée comme shunt pour permettre au courant de circuler. Ainsi, l'agencement agit comme un simple circuit électrique avec une source de tension (l'EMF induit) et une résistance. Le flux lié à cette boucle évolue à mesure que la zone liée au B̅ augmente. Cela induit une CEM dans le circuit selon la loi de Faraday (la grandeur est décidée par la vitesse à laquelle le flux change) et la loi de Lenz (la polarité est décidée de telle sorte que le courant induit s'opposera au changement de flux).

La règle du pouce droit nous aidera à connaître la direction du courant. Si nous enroulons nos doigts dans la direction du courant induit, alors le pouce donnera la direction du champ généré par ce courant induit. Dans ce cas, pour s'opposer au flux croissant dû au champ B̅, nous devons développer un champ un champ hors du plan du papier, et par conséquent, le courant circulera dans le sens anti-horaire. En conséquence, la borne A est plus positive que la borne B. Du point de vue de la charge, une force électromagnétique positive est développée avec un flux croissant et nous écrirons donc l'équation comme

e (t) = d λ / dt

Observez que nous avons ignoré le signe négatif pendant que nous écrivons cette équation du point de vue de la charge. (Un cas similaire se présentera lorsque nous commencerons à traiter des moteurs). Le circuit électrique final prendra la forme ci-dessous. Même si le cas discuté est celui d'un générateur, nous avons utilisé la convention de signe du point de vue du moteur et la polarité indiquée dans la figure ci-dessous est correcte. (Cela deviendra évident lorsque nous passerons au fonctionnement du moteur).

Nous pouvons calculer l'EMF induit comme suit. Une bobine de 1 tour (conducteur dans ce cas) produira une liaison de flux de:

Où A représente l'aire de la boucle, l est la longueur du conducteur, v est la vitesse à laquelle la tige se déplace en raison de la force appliquée.

En regardant l'équation ci-dessus, nous pouvons dire que l' amplitude de la force électromagnétique est proportionnelle à la vitesse du conducteur et indépendante de la résistance externe. Mais la résistance externe déterminera la force nécessaire pour maintenir la vitesse (et donc le courant). Cette discussion se poursuit sous la forme de la loi de Lorentz.

Loi de Lorentz

Nous allons d'abord vérifier l'équation, puis essayer de la comprendre.

F = q. (E + Vc x B)

Il déclare que lorsqu'une particule de charge q se déplace avec une vitesse de v _c dans un champ électromagnétique, elle subit une force. Dans un moteur, le champ électrique E n'est pas pertinent. Donc, F = q. Vc. B

Si le champ est constant avec le temps sur la longueur du conducteur et perpendiculaire à celui-ci, on peut écrire les équations ci-dessus comme:

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

Il montre que la force agissant sur la charge est directement proportionnelle au courant.

De retour à la première figure, nous avons vu qu'une force externe appliquée induit un EMF qui induit un courant dans une résistance. Toute l'énergie est dissipée sous forme de chaleur dans la résistance. La loi de conservation de l'énergie doit être satisfaite et nous obtenons donc:

F. v = e. je

Cette équation représente la façon dont l'énergie mécanique est convertie en énergie électrique. Cet arrangement est appelé un générateur linéaire.

Nous pouvons enfin vérifier comment un moteur fonctionne, c'est-à-dire comment l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique. Dans la figure ci-dessous, nous avons remplacé la résistance externe par une résistance localisée du circuit et il existe maintenant une source de tension externe qui fournit le courant. Dans ce cas, nous observerons une force développée (F _DEVELOPED) donnée par la loi de Lorentz. La direction de la force peut être établie par la règle de la main droite indiquée ci-dessous

C'est ainsi que fonctionne un moteur linéaire. Tous les moteurs sont issus de ces principes de base. Vous trouverez de nombreux articles et vidéos détaillés décrivant le fonctionnement du moteur à courant continu à balais, des moteurs sans balais, des moteurs PMSM, des moteurs à induction, etc. Donc, cela n'a pas de sens de faire un article de plus décrivant l'opération. Voici le lien vers quelques-unes des bonnes vidéos éducatives sur les différents types de moteurs et leur fonctionnement.

Histoire des moteurs

• Historiquement, trois types de moteurs ont été largement utilisés: les moteurs à courant continu à collecteur à balais, les moteurs synchrones et à induction. De nombreuses applications exigent des vitesses variables et les moteurs à courant continu ont été largement utilisés. Mais l'introduction des thyristors vers 1958 et la technologie des transistors ont changé la donne.
• Des onduleurs ont été développés pour contribuer à une application efficace de contrôle de vitesse. Les dispositifs à transistors pouvaient être activés et désactivés à volonté et cela permettait un fonctionnement PWM. Les schémas de commande de base développés précédemment étaient des entraînements V / f pour les machines à induction.
• En parallèle, des aimants permanents ont commencé à remplacer les bobines de champ pour améliorer l'efficacité. Et l'utilisation de l'inverseur avec des machines à aimant permanent sinusoïdal a permis l'élimination des brosses pour améliorer la durée de vie et la fiabilité du moteur.
• La prochaine étape majeure a été le contrôle de ces machines sans balais. La théorie des deux réactions (ou théorie dq) a été introduite par André Blondel en France avant 1900. Elle était combinée avec des vecteurs spatiaux complexes qui permettaient de modéliser une machine avec précision en régime transitoire et stationnaire. Pour la première fois, les grandeurs électriques et mécaniques pourraient être liées les unes aux autres.
• Les moteurs à induction n'ont pas connu beaucoup de changements jusqu'en 1960. Deux Allemands - Blaschke et Hasse ont fait quelques innovations clés qui ont conduit au désormais célèbre contrôle vectoriel des moteurs à induction. Le contrôle vectoriel traite du modèle transitoire du moteur à induction plutôt que de l'état stationnaire. En plus de contrôler le rapport amplitude de tension / fréquence, il contrôle également la phase. Cela a aidé le moteur à induction à être utilisé dans les applications de contrôle de vitesse et d'asservissement avec une dynamique élevée.
• L'algorithme sans capteur était la prochaine grande étape dans le contrôle de ces moteurs. Le contrôle vectoriel (ou contrôle orienté champ) nécessite de connaître la position du rotor. Des capteurs de position coûteux ont été utilisés plus tôt. La possibilité d'estimer la position du rotor en fonction du modèle de moteur a permis aux moteurs de fonctionner sans aucun capteur.
• Il y a eu très peu de changements depuis. La conception du moteur et son contrôle restent plus ou moins les mêmes.

Les moteurs évoluent depuis le siècle dernier. Et l'électronique les a aidés à être utilisés dans diverses applications. La majorité de l'électricité utilisée dans ce monde est consommée par les moteurs!

Différents types de moteurs

Les moteurs peuvent être classés de différentes manières. Nous examinerons certaines des classifications.

C'est la classification la plus générale. Il y a eu beaucoup de confusion concernant les moteurs AC et DC et il est important de faire une distinction entre eux. Tenons-nous en à la convention suivante: les moteurs qui nécessitent une alimentation en courant alternatif «à ses bornes» s'appelle un moteur à courant alternatif et qui peuvent fonctionner sur une alimentation en courant continu «à ses bornes» s'appelle un moteur à courant continu. «À ses bornes» est important car il élimine le type d'électronique utilisé pour faire fonctionner le moteur. Par exemple: le moteur CC sans balais ne peut en fait pas fonctionner directement sur une alimentation CC et il nécessite un circuit électronique.

Le moteur peut être classé en fonction de l'alimentation et en fonction de la commutation - avec ou sans balais, comme indiqué ci-dessous

Bien que je n'approfondisse pas la conception du moteur de l'un des moteurs ci-dessus, il y a deux sujets importants que je voudrais traiter - la saillance et l'interaction du flux du rotor avec le flux du stator.

Saillance

Les aspects des paramètres de la machine tels que la production de couple et l'inductance sont influencés par la structure magnétique de la machine (dans les machines à aimant permanent). Et le plus fondamental de cet aspect est la saillance. La saillance est la mesure du changement de réticence avec la position du rotor. Tant que cette réticence est constante à chaque position du rotor, la machine est dite non saillante. Si la réticence change avec la position du rotor, la machine est dite saillant.

Pourquoi la saillance est-elle importante à comprendre? Parce qu'un moteur saillant peut désormais avoir deux méthodes pour produire du couple. Nous pouvons profiter de la variation de la réluctance dans le moteur pour produire un couple de réluctance avec le couple magnétique (produit par les aimants). Comme le montre la figure ci-dessous, nous pouvons atteindre des niveaux de couple plus élevés pour le même courant avec l'ajout d'un couple de réluctance. Ce sera le cas des moteurs IPM (Interior Permanent Magnet). (Il existe des moteurs qui fonctionnent uniquement sur l'effet de réticence, mais nous n'en parlerons pas ici.) Le sujet suivant vous aidera à mieux comprendre la liaison et la saillance des flux.

(Remarque: L'avance d'angle dans la figure ci-dessous se réfère à la différence de phase entre le courant du stator et le flux de l'entrefer.)

Interaction de flux entre le rotor et le stator

Le flux dans un moteur se déplace du rotor à travers l'entrefer jusqu'au stator et revient à travers l'entrefer vers le rotor pour compléter la boucle de champ. Dans ce chemin, le flux voit différentes réticences (résistance magnétique). Les tôles (acier) ont une très faible réluctance en raison de μ _r élevé (la perméabilité relative de l'acier est de l'ordre du millier) alors que l'entrefer a une réluctance très élevée (μ _r est approximativement égal à 1).

La MMF (force magnétomotrice) développée à travers l'acier est très inférieure car elle présente une réticence négligeable par rapport à l'entrefer. (Un analogue au circuit électrique serait: Une source de tension (aimant) entraîne le courant (flux) à travers une résistance (réluctance de l'entrefer). Les conducteurs (acier) connectés à la résistance ont une très faible résistance et nous pouvons ignorer la chute de tension (MMF drop) à travers). Ainsi, la structure du stator et de l'acier du rotor a une influence négligeable et l'ensemble du MMF est développé à travers la réluctance effective de l'entrefer (tout matériau non ferreux dans le trajet du flux est considéré comme ayant une perméabilité relative égale à celle de l'entrefer). La longueur de l'entrefer est négligeable par rapport au diamètre du rotor et on peut supposer en toute sécurité que le flux du rotor est perpendiculaire au stator.Il existe des effets de franges et d'autres non-linéarités dus aux fentes et aux dents, mais ceux-ci sont généralement ignorés lors de la modélisation de la machine. (Vous NE POUVEZ PAS les ignorer lors de la conception de la machine). Mais le flux dans l'entrefer n'est pas uniquement donné par le flux du rotor (aimants en cas de machine à aimant permanent). Le courant dans la bobine du stator contribue également au flux. C'est l'interaction de ces 2 flux qui déterminera le couple agissant sur le moteur. Et le terme qui le décrit s'appelle la liaison effective de flux d'air. L'idée n'est pas d'aller dans les mathématiques et de dériver les équations mais d'enlever deux points:Mais le flux dans l'entrefer n'est pas uniquement donné par le flux du rotor (aimants en cas de machine à aimant permanent). Le courant dans la bobine du stator contribue également au flux. C'est l'interaction de ces 2 flux qui déterminera le couple agissant sur le moteur. Et le terme qui le décrit s'appelle la liaison effective de flux d'air. L'idée n'est pas d'aller dans les mathématiques et de dériver les équations mais d'enlever deux points:Mais le flux dans l'entrefer n'est pas uniquement donné par le flux du rotor (aimants en cas de machine à aimant permanent). Le courant dans la bobine du stator contribue également au flux. C'est l'interaction de ces 2 flux qui déterminera le couple agissant sur le moteur. Et le terme qui le décrit s'appelle la liaison effective de flux d'air. L'idée n'est pas d'aller dans les mathématiques et de dériver les équations mais d'enlever deux points:

• Nous nous intéressons uniquement au flux dans l'entrefer, car l'ensemble du MMF est développé à travers celui-ci.
• La liaison de flux efficace dans l'entrefer est due à la fois au courant du stator et au flux du rotor (aimants) et l'interaction entre eux produit un couple.

La figure ci-dessus montre le rotor et le stator de différents types de moteurs. Il serait intéressant de savoir lesquels d'entre eux sont saillants et lesquels ne le sont pas?

Remarque: dans chacun de ces moteurs, deux axes sont marqués - D et Q. (l'axe Q est l'axe magnétique et l'axe D est électriquement perpendiculaire à celui-ci). Nous reviendrons sur les axes D et Q dans les prochains articles. Ce n'est pas important pour la question ci-dessus.

Répondre:

A, B, C - non saillant, D, E, F, G, H - saillant (les aimants affectent la réticence dans différentes positions du rotor, voir la figure ci-dessous, en J, K- le rotor et le stator sont non saillants.

Nous terminerons cet article à ce stade. Beaucoup plus de mathématiques et de modélisation de machines auraient pu être discutées mais cela deviendrait trop complexe ici. Nous avons couvert la plupart des sujets nécessaires pour comprendre le contrôle d'un moteur. La prochaine série d'articles passera directement au contrôle orienté champ (FOC), à la modulation vectorielle spatiale (SVM), à l'affaiblissement du flux et à tous les aspects matériels et logiciels pratiques où vous pourriez éventuellement rester bloqué une fois que vous avez commencé à concevoir le contrôleur.