Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как устроен магнитный двигатель


миф или реальность, устройство, виды

Идея разработки вечного бестопливного двигателя не нова, за разработку такого агрегата во все времена брались именитые ученные своего времени. Однако ни технических средств для реализации задумки, не возможностей того времени не хватало. В некоторых случаях дело доходило только до теоретического обоснования, но существуют примеры реально разработанных альтернативных двигателей, которые призваны создать конкуренцию классическим электрическим машинам. Одним из таких вариантов является  магнитный двигатель.

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%, со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательстве через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Устройство и принцип работы

Сегодня существует достаточно большое количество магнитных двигателей, некоторые из них схожи, другие имеют принципиально отличительную конструкцию.

Для примера мы рассмотрим наиболее наглядный вариант:

Принцип действия магнитного двигателя

Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:

  • Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
  • Ротор дискового типа из немагнитного материала.
  • Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
  • Балласт  — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).

Все, что нужно для работы такого агрегата, придвинуть магнит статора на достаточное расстояние к ротору в точке самого наибольшего удаления, как показано на рисунке. После этого магниты начнут притягиваться по мере приближения формы улитки по кругу, и начнется вращение ротора. Чем меньше размер магнитов и чем более плавная форма получится, тем легче произойдет движение. В месте максимального сближения на диске установлена собачка, которая сместит маятник от нормального положения, чтобы магниты на притянулись в статическое положение.

Разновидности магнитных двигателей и их схемы

Сегодня существует много моделей бестопливных генераторов, электрических машин и моторов, чей принцип действия основан на природных свойствах постоянных магнитов. Некоторые варианты были спроектированы именитыми ученными, достижения которых стали основополагающим камнем в фундаменте науки. Поэтому далее мы рассмотрим самые популярные из них.

Николы Тесла

В данном примере мы рассмотрим одну из разработок известного ученого, конструкция которой приведена на рисунке ниже:

Магнитный двигатель Тесла

Конструктивно магнитный двигатель Тесла состоит из таких элементов:

  • электрического генератора, который представлен двумя дисками из проводника, помещенными в униполярной магнитной среде;
  • гибкого ремня, изготовленного из проводящего материала, расположенного по периферии дисков;
  • независимых магнитов, сохраняющих униполярность полей при вращении дисков.

Такой двигатель, по словам изобретателя, может функционировать и в качестве генератора, вырабатывая электрическую энергию при вращении дисков.

Минато

Этот пример нельзя назвать самовращающимся двигателем, так как для его работы требуется постоянная подпитка электрической энергией. Но такой электромагнитный мотор  позволяет получать значительную выгоду, затрачивая минимум электричества для выполнения физической работы.

Схема двигателя Минато

Как видите на схеме, особенностью этого вида является необычный подход к расположению магнитов на роторе. Для взаимодействия с ним на статоре возникают магнитные импульсы за счет кратковременной  подачи электроэнергии через реле или полупроводниковый прибор.

При этом   ротор будет вращаться, пока его элементы не размагнитятся. Сегодня все еще ведутся разработки по улучшению и повышению эффективности устройства, поэтому назвать его полностью завершенным нельзя.

Николая Лазарева

Это не только простейший гравитационный двигатель, но и одна из реально работающих моделей вечного двигателя. Пример приведен на рисунке ниже:

Двигатель Лазарева

Как видите, для изготовления такого двигателя или генератора вам потребуется:

  • колба;
  • жидкость;
  • трубка;
  • прокладка из пористого материала;
  • крыльчатка и нагрузка на вал.

Принцип действия заключается в том, что вода по тонкой трубке из-за избытка давления будет подниматься вверх и скапывать на прокладку и вращать крыльчатку. Далее вода будет просачиваться сквозь губку и под воздействием магнитного поля Земли  дальше стекать в нижний резервуар. Цикл будет повторяться до тех пор, пока жидкость не исчезнет, что в идеально герметичном контуре не произойдет никогда. Для усиления момента на вращаемый вал добавляют магнитные усилители.

Говарда Джонсона

В своих исследованиях Джонсон руководствовался теорией потока непарных электронов, действующих в любом магните. В его двигателе обмотки статора формируются из магнитных дорожек. На практике эти агрегаты получили реализацию в конструкции роторного и линейного двигателя. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже:

Двигатель Джонсона

Как видите, на оси вращения в двигателе устанавливаются сразу и статор и ротор, поэтому классически вал вращаться здесь не будет. На статоре магниты повернуты одноименным полюсом к роторным, поэтому они взаимодействуют на силах отталкивания. Особенность работы ученого заключалась в длительном вычислении  расстояний и зазоров между основными элементами мотора.

Перендева

Данный вид двигателя, как и предыдущий, представляет собой еще одну модель магнитного взаимодействия между статором и ротором, где обе части содержат постоянные магниты. Схема конструкции обоих представляет собой диск или кольцо, в котором точечно устанавливаются вектолиты.

Магниты статора и ротора в двигателе Переднева

Как видите на рисунке, положение активных элементов имеет угол смещения, который и определяет эффективность вращения машины. Взаимодействие магнитных потоков в двигателе происходит  при задании начального крутящего момента. Точность положения и угла наклона можно отстроить только в лабораторных или заводских условиях.

Василия Шкондина

Получить вечный генератор Василию Шкодину не удалось, КПД такого магнитного двигателя и сегодня не превышает 83%. Но и этого более чем достаточно, чтобы его повсеместно применяли для велосипедов, байков и самокатов. Он может эксплуатироваться как в режиме тяги, так и для рекуперации электроэнергии.

Двигатель Шкондина

На рисунке приведена конструкция магнитного двигателя Шкодина, как видите, и ротор и статор представляют собой кольца. Из магнитных деталей он содержит 1 неодимовых магнитов. Ротор устройства содержит 6 электромагнитов, смещенных на одинаковое расстояние друг относительно друга.

Свинтицкого

Еще в конце 90-х украинский конструктор предложит модель самовращающегося магнитного двигателя, который стал настоящим прорывом в технике. За основу им был взят асинхронный двигатель Ванкеля, которому не удалось решить проблему с преодолением 360° оборота.

Игорь Свинтицкий эту проблему реши и получил патент, обратился в ряд компаний, однако асинхронное магнитное чудо техники никого не заинтересовало, поэтому проект был закрыт и за его масштабное тестирование ни одна компания не взялась.

Джона Серла

От электрического мотора такой магнитный двигатель  отличает взаимодействие исключительно магнитного поля статора и ротора. Но последний выполняется наборными цилиндрами с таблетками из специального сплава, которые создают магнитные силовые линии  в противоположном направлении. Его можно считать синхронным двигателем, так как разница частот в нем отсутствует.

Двигатель Серла

Полюса постоянных магнитов расположены так, что одни толкает следующий и т.д. Начинается цепная реакция, приводимая в движение всю систему магнитного двигателя , до тех пор, пока магнитной силы будет хватать хотя бы для одного цилиндра.

Алексеенко

Интересный вариант магнитного двигателя представил ученый Алексеенко, который создал устройство с роторными магнитами необычной формы.

Двигатель Алексеенко

Как видите на рисунке, магниты имеют необычную изогнутую форму. Которая максимально сближает противоположные полюса. Что делает магнитные потоки в месте сближения значительно сильнее. При начале вращения отталкивание полюсов получается значительно большим, что и должно обеспечить непрерывное движение по кругу.

Несколько видео идей

Как работают электродвигатели?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 14 мая 2019 года.

Щёлкните по переключателю и получите мгновенную власть - как любили бы наши предки электродвигатели! Вы можете найти их во всем, от электропоезда с дистанционным управлением автомобили - и вы можете быть удивлены, насколько они распространены. Сколько электрических моторы есть в комнате с тобой прямо сейчас? Есть, вероятно, два в твоем компьютере для начала, крутишь ездить и еще один привод вентилятора охлаждения.Если вы сидите в спальне, вы найдете моторы в фенах и многие игрушки; в ванной они оснащены вытяжными вентиляторами и электробритвами; на кухне моторы есть практически в каждом приборе, от стиральных и посудомоечных машин до кофемолок, микроволновых печей и электрических консервных ножей. Электродвигатели зарекомендовали себя как одни из величайших изобретения всех времен. Давайте разберем некоторых и выясним, как они работай!

Фото: даже маленькие электродвигатели на удивление тяжелые.Это потому, что они заполнены плотно намотанной медью и тяжелыми магнитами. Это мотор от старой электрической газонокосилки. Медная вещь к Передняя часть оси с прорезями в ней является коммутатором, который удерживает двигатель вращается в том же направлении (как описано ниже).

Электричество, магнетизм и движение

Основная идея электродвигателя очень проста: вы включаете в него электричество с одной стороны и ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая то.Как это работает на практике? Как именно ваш преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, мы имеем вернуться в прошлое почти на 200 лет.

Предположим, вы берете длину обычного провода, превращаете его в большую петлю, и положите его между полюсами мощной, постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод прыгнет вкратце. Удивительно, когда вы видите это в первый раз. Это как волшебство! Но есть совершенно научный объяснение.Когда электрический ток начинает ползти по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если вы поместите провод возле постоянного магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитное поле. Вы узнаете, что два магнита расположены рядом друг с другом либо привлекать, либо отталкивать. Точно так же временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и это то, что заставляет проволока прыгать.

Правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобная мнемоника (помощь памяти), называемая правилом левой руки Флеминга (иногда Мотор называется правилом).

Протяните большой, первый и второй пальцы левой руки рука, так что все три под прямым углом. Если вы указываете пальцем Секонд в направлении течения (который течет от положительного к отрицательная клемма аккумулятора), и первый палец в направление поля (которое течет с севера на южный полюс магнит), твоя чёрт будет показать направление, в котором провод Ходы.

Это ...

  • Первый палец = Поле
  • SeCond finger = Текущий
  • ThuMb = движение

Быстрое слово о текущем

Если я вас смущаю, говоря, что ток течет от положительного к отрицательному, это просто случается историческое соглашение.Такие люди, как Бенджамин Франклин, который помог выяснить тайна электричества еще в 18 веке, полагал, что это был поток положительных зарядов, так что это перешло от положительного к отрицательному. Мы называем эту идею обычным током и до сих пор его используют в таких вещах, как правило левой руки Флеминга. Теперь у нас есть лучшие идеи о том, как электричество работает, мы склонны говорить о токе как о потоке электронов, от отрицательного к положительному, в направлении , противоположном направлению к обычному току.Когда вы пытаетесь выяснить вращение двигателя или генератора, обязательно помните, что ток означает условного тока , а не поток электронов.

Как работает электродвигатель - теоретически

Фото: электрика ремонтирует электродвигатель на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото, но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица любезно предоставлено ВМС США.

Связь между электричеством, магнетизмом и движением была изначально обнаружен в 1820 году французским физиком Андре-Мари Ампер (1775–1867), и это основная наука об электромоторе. Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практичное немного технологий для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны сделать это немного дальше. Изобретателями, которые это сделали, были англичане Майкл Фарадей (1791–1867) и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878).Вот как они достиг их блестящего изобретения.

Предположим, что мы сгибаем наш провод в квадратную U-образную петлю, так что есть фактически два параллельных провода, проходящие через магнитное поле. Один из них отнимает у нас электрический ток через провод, а другой один возвращает ток снова. Потому что ток течет в В противоположных направлениях в проводах левое правило Флеминга говорит нам два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов будет двигаться вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка проволоки могла продолжать движение вот так, она бы вращалась постоянно - и мы были бы на пути к созданию электрического двигатель. Но это не может произойти с нашей нынешней установкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко достаточно, что-то еще случится. Как только катушка достигла вертикали положение, оно перевернется, поэтому электрический ток течь через него в обратном направлении. Теперь силы на каждом сторона катушки будет обратная.Вместо того, чтобы постоянно вращаться в в том же направлении, он будет двигаться в том направлении, в котором он только что пришел! Представьте себе электричку с таким мотором: перетасовывать назад и вперед на месте, даже не собираясь везде.

Как работает электродвигатель - на практике

Есть два способа преодолеть эту проблему. Одним из них является использование своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, которое известно в качестве переменного тока (переменного тока). В виде маленьких, с батарейным питанием моторы, которые мы используем по дому, лучшее решение - добавить компонент называется коммутатором к концы катушки.(Не беспокойтесь о бессмысленных технических Название: это слегка старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово "коммутировать". Это просто означает, чтобы измениться вперед и назад в одном и том же путь, которым добираются, означает путешествовать назад и вперед.) В его самой простой форме коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его работа заключается в том, чтобы инвертировать электрический ток в катушке каждый раз, когда Катушка вращается через пол оборота. Один конец катушки прикреплен к каждая половина коммутатора. Электрический ток от батареи подключается к электрическим клеммам двигателя.Они подают электроэнергию в коммутатор через пару свободных разъемы, называемые кистями, сделали либо из кусочков графита (мягкий карбон, похожий на карандаш "свинец") или тонкие отрезки пружинящего металла, который (как название подсказывает) "кисть" против коммутатора. С коммутатор, когда электричество течет по цепи, Катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Работа: упрощенная схема деталей в электрическом двигатель.Мультработа: как это работает на практике. Обратите внимание, как коммутатор меняет ток каждый раз, когда катушка поворачивается наполовину. Это означает, что сила на каждой стороне катушки всегда толкает в том же направлении, что удерживает катушку, вращающуюся по часовой стрелке.

Простой экспериментальный двигатель, подобный этому, не способен большая сила Мы можем увеличить поворотную силу (или крутящий момент) что Мотор можно создать тремя способами: либо мы можем иметь больше мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток течет через провод, или мы можем сделать катушку, чтобы она имела много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки.На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в круглая форма, так что он почти касается катушки проволоки, которая вращается внутри него. Чем ближе магнит и катушка, тем больше сила, которую может создать мотор.

Несмотря на то, что мы описали несколько различных частей, вы можете думать о двигателе как о двух основных компонентах:

  • Есть постоянный магнит (или магниты) по краю корпуса двигателя, который остается неподвижным, поэтому он называется статором двигателя.
  • Внутри статора есть катушка, установленная на оси, которая вращается с большой скоростью - и это называется ротором. Ротор также включает в себя коммутатор.

Универсальные моторы

Подобные двигатели постоянного тока

отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модельные поезда, радиоуправляемые вагоны или электробритвы), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Небольшие бытовые приборы (такие как кофемолки или электрические блендеры), как правило, используют так называемые универсальные двигатели , которые могут работать от переменного или постоянного тока.В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает энергию от источника постоянного или переменного тока, который вы вводите:

  • При подаче постоянного тока электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, которое всегда направлено в одном направлении. Коммутатор меняет ток катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в обычном двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном и том же направлении.
  • Однако, когда вы подаете переменный ток, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , и обращаются в обратном направлении, точно в шаге, поэтому сила на катушке всегда в одном и том же направлении, и двигатель всегда вращается в любом направлении по часовой стрелке. или против часовой стрелки.А как насчет коммутатора? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда находятся в шаге, на самом деле не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в данный момент.

Анимация: как работает универсальный двигатель: источник питания питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С источником постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При использовании источника переменного тока магнитное поле и ток катушки меняют направление каждый раз, когда ток питания меняется на противоположный.Это означает, что сила на катушке всегда указывает одинаково.

Фото: внутри типичного универсального мотора: основные части внутри мотора среднего размера от кофемолки, которая может работать от постоянного или переменного тока. Серый электромагнит по краю - это статор (статическая часть), который питается от катушек оранжевого цвета. Обратите внимание также на щели в коммутаторе и угольные щетки, толкающие его, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких вещах, как электрические железнодорожные поезда, во много раз больше и мощнее, чем эти, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения, а не постоянного тока низкого напряжения или бытового переменного тока умеренно низкого напряжения. который питает универсальные двигатели.

Другие виды электродвигателей

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, соединенную с источником электропитания, а статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как заводские машины) работают несколько иначе: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов, создавая вращающееся магнитное поле, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это крутиться.Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его, чтобы статор был эффективно разложен на длинной непрерывной гусенице, ротор мог катиться вдоль него по прямой линии. Этот оригинальный дизайн известен как линейный двигатель, и вы найдете его в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги "маглев".

Другой интересный дизайн - бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются друг от друга, при этом несколько статических катушек находятся в центре, а постоянный магнит вращается вокруг них, а коммутатор и щетки заменяются электронной схемой.Вы можете прочитать больше в нашей основной статье на моторы эпицентра деятельности. Шаговые двигатели, которые поворачиваются на точно контролируемые углы, представляют собой разновидность бесщеточных двигателей постоянного тока.

,

Магнитная сила < Как работает мотор? > | Основы электроники

Вращение двигателя

с использованием магнита / магнитной силы

Основной принцип работы двигателя заключается в следующем.

Вокруг постоянного магнита, имеющего ось вращения:

① Когда вращаются внешние магниты (называемые вращающимся магнитным полем), ② полюса N и S притягивают и отталкивают друг друга, ③ приводя магнит к вращению оси вращения (в центре).

В качестве альтернативы, подача тока на проводник создает вокруг себя магнитное поле, создавая магнитную силу (вращательное магнитное поле).Это приводит к тому же эффекту, что и вращение магнита.

Если мы наматываем проводящий провод в катушку, магнитная сила объединяется, создавая большой магнитный поток вместе с северным и южным полюсами.

Фактическая эксплуатация двигателя

Здесь мы видим фактический метод, используемый для вращения двигателя путем генерации вращательного магнитного поля от 3-фазного источника переменного тока и проводящих катушек (3-фазный переменный ток представляет собой сигнал переменного тока со сдвинутыми фазами на 120 °).

  • Синтетическое магнитное поле в ① выше показано в ① ниже
  • Синтетическое магнитное поле в ② выше показано в ② ниже
  • Синтетическое магнитное поле в ③ выше показано в ③ ниже

Как упомянуто выше, 3-фазные катушки (U, V и W) намотаны вокруг железного сердечника, расположенного на расстоянии 120 °, с более высоким напряжением, генерируемым на северном полюсе (N), и более низким напряжением на южном полюсе ( S).Поскольку каждая фаза изменяется синусоидально, полюс (N / S), генерируемый каждой катушкой, будет продолжать изменяться вместе с магнитным полем.

Если мы посмотрим только на фазу Северного полюса, она переключается по порядку с U-катушки → V-катушки → W-катушки → U-катушки, обеспечивая вращение.

Двигатели / Приводы DriversProduct Group Page ,

Control Engineering | Понимание двигателей с постоянными магнитами

Кристофер Ящольт, Yaskawa America Inc. 31 января 2017 г.

Управление скоростью электродвигателей переменного тока в большинстве случаев осуществляется с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП). Хотя многие сценарии предусматривают использование ЧРП с асинхронными двигателями с обмотками статора для генерации вращающегося магнитного поля, они также могут обеспечить точное управление скоростью с помощью датчиков обратной связи по скорости или положению в качестве эталона для ЧРП.

В некоторых ситуациях можно получить сравнительно точное регулирование скорости без необходимости использования датчиков обратной связи. Это стало возможным благодаря использованию двигателя с постоянными магнитами (PM) и процесса, называемого «метод ввода высокочастотного сигнала».

Индукционные машины

Индукционная машина переменного тока (IM) также обычно называется двигателем переменного тока. Вращающееся поле создается обмоткой статора. Вращающееся поле индуцирует ток в стержнях ротора.Генерация тока требует разности скоростей между ротором и магнитным полем. Взаимодействие между полем и током создает движущую силу. Поэтому асинхронные машины переменного тока являются преобладающим двигателем, управляемым приводами с регулируемой скоростью.

PM двигатели

Двигатель с постоянным магнитом - это двигатель переменного тока, в котором используются магниты, встроенные или прикрепленные к поверхности ротора двигателя. Магниты используются для генерации постоянного магнитного потока двигателя вместо того, чтобы требовать, чтобы поле статора генерировало магнитное поле путем соединения с ротором, как в случае с асинхронным двигателем.Четвертый двигатель, известный как двигатель с линейным запуском (LSPM), включает в себя характеристики обоих двигателей. Двигатель LSPM включает в себя магниты двигателя PM в роторе и стержни ротора двигателя с короткозамкнутым ротором, чтобы максимизировать крутящий момент и эффективность (см. Таблицу 1).

Флюс, флюсовая связь и магнитный поток

Чтобы понять работу двигателей с постоянными магнитами, важно сначала понять понятия магнитного потока, связи потока и магнитного потока.

Поток: Поток тока через проводник создает магнитное поле.Поток определяет скорость потока имущества на единицу площади. Ток потока - это скорость тока, протекающего через данную площадь поперечного сечения проводника.

Потоковая связь: Потоковая связь возникает, когда магнитное поле взаимодействует с материалом, например, что происходит, когда магнитное поле проходит через катушку с проволокой. Связь потока определяется числом обмоток и потоком, где ϕ используется для указания мгновенного значения изменяющегося во времени потока. Поток связи определяется следующим уравнением:

Магнитный поток: Магнитный поток определяется как скорость магнитного поля, протекающего через площадь поперечного сечения данного проводника.Поле магнитного потока создается постоянным магнитом внутри или на поверхности двигателя с постоянным магнитом.

Индуктор: Индуктор - это элемент схемы, который состоит из проводящего провода, обычно в форме катушки. Проводник, несущий постоянный ток, будет генерировать постоянное магнитное поле. Можно показать, что магнитное поле и ток, который его вызвал, линейно связаны. Изменение магнитного поля будет вызывать напряжение в соседнем проводнике, пропорциональное скорости изменения тока, создавшего магнитное поле.Напряжение в проводнике определяется по следующему уравнению:


Индуктивность: Индуктивность (L) - это константа пропорциональности, которая определяет взаимосвязь между напряжениями, вызванными скоростью изменения тока, создавшего магнитное поле. Проще говоря, индуктивность - это магнитная связь на единицу тока. Должно быть ясно, что индуктивность является пассивным элементом и является чисто геометрическим свойством. Индуктивность измеряется в Генри (H) или Веб-витках на ампер.

Ось d и ось q: В геометрическом выражении оси «d» и «q» представляют собой однофазные представления потока, вносимые тремя отдельными величинами синусоидальной фазы с одинаковой угловой скоростью. Ось d, также известная как прямая ось, является осью, по которой поток создается обмоткой возбуждения. Ось q или квадратурная ось - это ось, на которой создается крутящий момент. По соглашению, квадратурная ось всегда будет вести прямую ось электрически на 90 градусов.Проще говоря, ось d является основным направлением потока, а ось q является основным направлением создания крутящего момента.

Магнитная проницаемость: В электромагнетизме проницаемость - это мера способности материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя. Следовательно, это степень намагниченности, которую материал получает в ответ на приложенное магнитное поле.

PM эквивалентная схема двигателя: Двигатель с постоянным магнитом может быть представлен в нескольких различных моделях двигателей.Одним из наиболее распространенных методов является модель двигателя d-q.

PM двигатель индуктивность по оси d и по оси q: Индуктивности по оси d и оси q - это индуктивности, измеренные при прохождении пути потока через ротор относительно магнитного полюса. Индуктивность по оси d - это индуктивность, измеряемая при прохождении потока через магнитные полюса. Индуктивность по оси q является мерой индуктивности, когда поток проходит между магнитными полюсами.

В индукционной машине связь потока ротора будет одинаковой между осью d и осью q.Однако в машине с постоянными магнитами магнит уменьшает доступное железо для флюсовой связи. Проницаемость магнита близка к воздухопроницаемости. Следовательно, магнит можно рассматривать как воздушный зазор. Магнит находится на пути потока, поскольку он проходит через ось d. Путь потока, проходящий через ось q, не пересекает магнит. Следовательно, большее количество железа может быть связано с траекторией потока по оси q, что приводит к большей индуктивности. Двигатель со встроенным магнитом будет иметь большую индуктивность по оси q, чем индуктивность по оси d.Двигатель с магнитами для поверхностного монтажа будет иметь почти одинаковые индуктивности по осям q и d, поскольку магниты находятся за пределами ротора и не ограничивают количество железа, связанного полем статора.

Магнитная значимость: Значимость или значимость - это состояние или качество, по которым что-то выделяется по сравнению с соседями. Магнитная зависимость описывает зависимость между индуктивностью основного потока ротора (ось d) и индуктивностью основного крутящего момента (ось q).Магнитная значимость варьируется в зависимости от положения ротора относительно поля статора, где максимальная значимость возникает при 90 градусах по электрической оси от оси основного потока (ось d) (см. Рисунок 1).

Ток возбуждения: Ток возбуждения - это «ток в обмотках статора, необходимый для создания магнитного потока в сердечнике ротора». Машины с постоянными магнитами не требуют тока возбуждения в обмотке статора, потому что магниты двигателя PM уже генерируют постоянное магнитное поле.

Вторичный ток: Вторичный ток, также известный как «ток, создающий крутящий момент», - это ток, необходимый для создания крутящего момента двигателя. В машине с постоянными магнитами токи, создающие крутящий момент, составляют большую часть потребляемого тока.

Ток ввода: В отличие от усилителя и сервопривода, предназначенного для управления движением, обычный ЧРП не имеет информации о положении магнитного полюса ротора двигателя.Без знания положения магнитного полюса в статоре невозможно создать поле, чтобы максимально увеличить крутящий момент. Следовательно, VFD обладает способностью обеспечивать постоянное напряжение для фиксации магнитного поля в известном положении. Потребляемый ток, необходимый для затягивания ротора, называется «током втягивания».

Высокочастотный впрыск: Высокочастотный впрыск - это методология инвертора, используемая для определения положения магнитного полюса двигателя с постоянными магнитами. Способ начинается с подачи инвертором высокочастотного низковольтного сигнала в двигатель по произвольной оси.Затем инвертор поворачивает угол возбуждения и контролирует ток.

В зависимости от угла впрыска импеданс ротора изменяется. Полное сопротивление клеммы электродвигателя внутреннего постоянного магнита (IPM) уменьшается, когда ось ввода высокочастотного сигнала и ось магнитного полюса (ось d) совмещены, то есть при 0 град. Импеданс максимален при ± 90 град. Используя эту характеристику, привод может определять положение ротора без импульсных датчиков путем подачи высокочастотного переменного напряжения / тока на двигатель IPM.Кроме того, метод ввода высокочастотного сигнала может использоваться для определения скорости в области низких скоростей, где обычно очень сложно контролировать крутящий момент при полной нагрузке, поскольку уровень напряжения обратной ЭДС двигателя слишком низок.

Форма волны обратной ЭДС

ПротивоЭДС - это сокращение от обратной электродвижущей силы, но также известно как противоэлектродвижущая сила. Противоэлектродвижущая сила - это напряжение, которое возникает в электродвигателях при относительном движении между обмотками статора и магнитным полем ротора.Геометрические свойства ротора будут определять форму волны обратной ЭДС. Эти сигналы могут быть синусоидальными, трапециевидными, треугольными или что-то среднее между ними.

Как индукционные, так и PM машины генерируют сигналы обратной ЭДС. В индукционной машине форма обратной ЭДС затухает, поскольку остаточное поле ротора медленно затухает из-за отсутствия поля статора. Тем не менее, с машиной PM, ротор генерирует свое собственное магнитное поле. Следовательно, напряжение может быть индуцировано в обмотках статора, когда ротор находится в движении.Напряжение противо-ЭДС будет расти линейно со скоростью и является решающим фактором при определении максимальной рабочей скорости.

Понимание PM машины крутящего момента

Крутящий момент электрической машины можно разделить на две составляющие: магнитный момент и момент сопротивления. Момент реактивного сопротивления - это «сила, действующая на магнитный материал, которая стремится совмещаться с основным магнитным потоком, чтобы минимизировать сопротивление». Другими словами, реактивный крутящий момент - это крутящий момент, создаваемый выравниванием вала ротора с полем потока статора.Магнитный крутящий момент - это «крутящий момент, создаваемый взаимодействием между магнитным полем магнита и током в обмотке статора».

Крутящий момент реактивного сопротивления: Крутящий момент реактивного сопротивления относится к крутящему моменту, возникающему при выравнивании ротора, который возникает, когда магнитное поле создает желательный прямой поток от северного полюса статора к южному полюсу статора.

Магнитный момент: Постоянные магниты создают поле потока в роторе.Статор генерирует поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора. Изменение положения поля статора относительно поля ротора вызывает смещение ротора. Сдвиг из-за этого взаимодействия является магнитным моментом.

SPM против IPM

Двигатель с постоянными магнитами можно разделить на две основные категории: наземные двигатели с постоянными магнитами (SPM) и внутренние двигатели с постоянными магнитами (IPM) (см. Рисунок 3). Ни один тип конструкции двигателя не содержит стержней ротора. Оба типа генерируют магнитный поток постоянными магнитами, прикрепленными к ротору или внутри него.

Двигатели SPM

имеют магниты, прикрепленные к внешней поверхности ротора. Из-за этого механического монтажа их механическая прочность ниже, чем у двигателей IPM. Ослабленная механическая прочность ограничивает максимальную безопасную механическую скорость двигателя. Кроме того, эти двигатели имеют очень ограниченную магнитную значимость (L d ≈ L q ). Измеренные значения индуктивности на клеммах ротора не зависят от положения ротора. Из-за коэффициента значимости, близкого к единице, конструкции двигателей SPM в значительной степени, если не полностью, используют магнитную составляющую крутящего момента для создания крутящего момента.

Двигатели

IPM имеют постоянный магнит, встроенный в сам ротор. В отличие от своих аналогов SPM, расположение постоянных магнитов делает двигатели IPM очень механически надежными и пригодными для работы на очень высоких скоростях. Эти двигатели также определяются их относительным высоким коэффициентом магнитного сопротивления (L q > L d ). Благодаря своей магнитной силе двигатель IPM способен генерировать крутящий момент, используя преимущества как магнитного, так и реактивного крутящего момента двигателя (см. Рисунок 4).

PM моторные конструкции

Моторные конструкции

PM можно разделить на две категории: внутренние и наружные. Каждая категория имеет свое подмножество категорий. Поверхностный двигатель с постоянными магнитами может иметь свои магниты на поверхности ротора или вставляться в него, чтобы повысить надежность конструкции. Внутреннее расположение и конструкция двигателя с постоянными магнитами могут сильно различаться. Магниты двигателя IPM могут быть вставлены в виде большого блока или расположены в шахматном порядке по мере приближения к сердечнику.Другой метод заключается в том, чтобы они были встроены в шаблон спиц.

PM изменение индуктивности двигателя с нагрузкой

Только такой большой поток может быть связан с железкой для создания крутящего момента. В конце концов, железо будет насыщаться и больше не позволит флюсу связываться. Результатом является уменьшение индуктивности пути, пройденного магнитным полем. В машине с постоянными магнитами значения индуктивности по оси d и по оси q будут уменьшаться с увеличением тока нагрузки.

Индуктивности осей d и q двигателя SPM практически идентичны.Поскольку магнит находится за пределами ротора, индуктивность оси q будет падать с той же скоростью, что и индуктивность оси d. Однако индуктивность двигателя IPM будет уменьшаться по-разному. Опять же, индуктивность по оси d, естественно, ниже, потому что магнит находится на пути потока и не генерирует индуктивное свойство. Следовательно, в оси d меньше железа для насыщения, что приводит к значительно меньшему уменьшению потока по отношению к оси q.

Ослабление потока / усиление двигателей с постоянными магнитами

Поток в двигателе с постоянными магнитами генерируется магнитами.Поле потока следует определенному пути, который можно усилить или противопоставить. Увеличение или усиление поля магнитного потока позволит двигателю временно увеличить крутящий момент. Противодействие магнитному полю сведет на нет существующее магнитное поле двигателя. Уменьшенное магнитное поле ограничит производство крутящего момента, но уменьшит напряжение обратной ЭДС. Пониженное напряжение обратной эдс освобождает напряжение, чтобы заставить двигатель работать на более высоких выходных скоростях. Оба типа работы требуют дополнительного тока двигателя. Направление тока двигателя через ось d, обеспечиваемое контроллером двигателя, определяет желаемый эффект.

Угол возбуждения

Угол возбуждения - это угол, под которым векторная сумма сигналов d-оси и q-оси возбуждается к двигателю относительно оси d. Ось d всегда рассматривается там, где существует магнит. Максимальный магнитный поток достигается на оси q, которая составляет 90 электрических градусов от оси d. Поэтому в большинстве эталонов угла возбуждения уже учитывается разница в 90 градусов от оси d к оси q.

Фазовый угол и крутящий момент

Магнитный крутящий момент увеличивается, когда поле статора возбуждает ротор двигателя на 90 град. От оси d (положение магнита двигателя).Момент неохотности следует по другому пути и максимизируется на 45 градусов ниже оси q. Максимальный магнитный момент использует как сопротивление двигателя, так и магнитные моменты. Сдвиг дальше от оси q уменьшает магнитный момент, но значительно превосходит усиление реактивного крутящего момента. Максимальный суммарный магнитный и реактивный крутящий момент возникает около 45 электрических градусов от оси q, но точный угол будет зависеть от характеристик двигателя с постоянными магнитами.

IPM плотность мощности двигателя

Мощность двигателя двигателя с постоянными магнитами зависит от конфигурации магнитов двигателя и результирующей значимости двигателя.Двигатели с высоким коэффициентом значимости (Lq> Ld) могут повысить КПД двигателя и выработку крутящего момента за счет включения реактивного крутящего момента двигателя. Инвертор может использоваться для изменения угла возбуждения относительно оси d, чтобы максимизировать как реактивный крутящий момент, так и магнитный крутящий момент двигателя.

PM мотор-магнит типа

В настоящее время для электродвигателей используется несколько типов материалов с постоянными магнитами. Каждый вид металла имеет свои преимущества и недостатки.

Размагничивание постоянным магнитом

Постоянные магниты вряд ли являются постоянными и имеют ограниченные возможности. Определенные силы могут быть приложены к этим материалам, чтобы размагнитить их. Другими словами, можно удалить магнитные свойства материала с постоянными магнитами. Постоянное магнитное вещество может размагничиваться, если материал подвергается значительному напряжению, может достигать значительных температур или подвергается воздействию значительных электрических помех.

Во-первых, натяжение постоянного магнита обычно осуществляется физическими средствами. Магнитный материал может размагничиваться, если не ослабляться, если он испытывает сильные удары / падения. Ферромагнитный материал обладает присущим магнитным свойством. Однако эти магнитные свойства могут излучать в любом множестве направлений. Одним из способов намагничивания ферромагнитных материалов является применение сильного магнитного поля к материалу для выравнивания его магнитных диполей. Выравнивание этих диполей заставляет магнитное поле материала в определенную ванну.Сильное воздействие может устранить атомное выравнивание магнитных доменов материала, что ослабляет напряженность предполагаемого магнитного поля.

Во-вторых, температура также может влиять на постоянный магнит. Температуры заставляют магнитные частицы в постоянном магните возбуждаться. Магнитные диполи обладают способностью выдерживать некоторое количество термического перемешивания. Однако длительные периоды перемешивания могут ослабить силу магнита, даже если хранить его при комнатной температуре. Кроме того, все магнитные материалы имеют порог, известный как «температура Кюри», который является порогом, который определяет температуру, при которой тепловое перемешивание заставляет материал полностью размагничиваться.Такие термины, как коэрцитивность и удерживаемость, используются для определения способности удержания прочности магнитного материала.

Наконец, большие электрические помехи могут вызвать размагничивание постоянного магнита. Эти электрические возмущения могут происходить из материала, взаимодействующего с большим магнитным полем, или если через материал проходит большой ток. Точно так же сильное магнитное поле или ток можно использовать для выравнивания магнитных диполей материала, другое сильное магнитное поле или ток, приложенный к полю, создаваемому постоянным магнитом, может привести к размагничиванию.

Самозондирование по сравнению с замкнутым циклом

Последние достижения в области приводных технологий позволяют стандартным приводам переменного тока «самостоятельно обнаруживать» и отслеживать положение магнита двигателя. Система с обратной связью обычно использует канал с z-импульсом для оптимизации производительности. Благодаря определенным процедурам привод знает точное положение магнита двигателя, отслеживая каналы A / B и исправляя ошибки с помощью z-канала. Знание точного положения магнита позволяет получить оптимальный крутящий момент, обеспечивающий оптимальную эффективность.

Серводвигатели

Серводвигатели

- это двигатели с постоянными магнитами, используемые для управления движением. Как правило, в конструкции внутреннего / внутреннего двигателя с постоянными магнитами эти двигатели соединены с определенным усилителем как часть согласованного набора для максимизации производительности. Усилитель был точно настроен на двигатель PM для достижения оптимальной производительности его производителем. Конфигурация усилителя движения / сервопривода обычно использует обратную связь двигателя, которая также обеспечивает положение магнитного полюса и обратную связь по скорости.

Кристофер Ящольт - специалист по управлению приводами в Yaskawa America Inc. Он имеет более чем девятилетний опыт управления движением. Помимо своего нынешнего звания, Ящольт работал инженером технической поддержки и прикладным инженером. Он имеет степень бакалавра в Университете Северного Иллинойса, ДеКалб, штат Иллинойс,

Эта статья появляется в приложении Прикладная автоматизация для Control Engineering
и Plant Engineering.

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.