By
Благодаря своей очень эффективной и точной системе управления и производительности, Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) стали незаменимыми для промышленности. Очень простой, базовый принцип, лежащий в основе взаимодействия магнитных полей и электрических токов, — это сила Лоренца. То, как силы Лоренца вступают в игру в отношении PMSM, предоставит важные знания для обоих оптимизация производительности двигателя и достижение энергосберегающих решений. . В этой статье излагаются основы силы Лоренца, принципы функционирования ПМСМ, а также более глубокое понимание и его последствия с точки зрения отношений.
Основы силы Лоренца
Сила Лоренца — одна из основных концепций электромагнетизма; она учитывает взаимодействие магнитных полей с электрическими токами. Это явление было описано голландским физиком Хендриком Лоренцом в конце 19 века и носит его имя.
Сила Лоренца является основой силы, действующей на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Она действует прямо пропорционально напряженности магнитного поля, заряду частицы и скорости частицы. Согласно правилу правой руки, направление этой силы перпендикулярно как магнитному полю, так и направлению скорости частицы.
Основной вклад в движение и крутящий момент в PMSM вносит сила Лоренца. PMSM состоит из статора с катушками и ротора с постоянными магнитами. Когда ток проходит через катушки статора, создаваемое магнитное поле взаимодействует с магнитным полем магнитов ротора и создает силу, которая вращает ротор.
Чтобы понять, как сила Лоренца влияет на работу синхронного двигателя с постоянными магнитами, давайте сначала разберемся с основными принципами создания электромагнитных сил. Принцип, лежащий в основе создания электромагнитных сил, по сути, заключается во взаимодействии магнитных полей и электрических токов. Всякий раз, когда электрический ток проходит через проводник, например, провод, создается магнитное поле. Однако всякий раз, когда проводник проходит через магнитное поле, индуцируется ток.
Два основных закона теории электромагнетизма, регулирующие отношения между магнитными полями и электрическими токами, это: закон Ампера и закон Фарадея. Согласно закону Ампера, магнитное поле, вызванное электрическим током, прямо пропорционально величине тока и обратно пропорционально расстоянию от проводника. Закон Фарадея гласит, что изменение потока, связанного с проводником, индуцирует ток в том же проводнике. В целом, этот набор законов описывает самые основы того, как может существовать электромагнитная сила для работы PMSM. В PMSM катушки статора используют своего рода схему расположения при его обертывании вокруг ротора с вращающимся магнитным полем и, следовательно, взаимодействуют с магнитным полем ротора в состоянии покоя. Это поле создает крутящий момент на роторе для вращения, уступая место вращательному приводу для его выходного вала.
Величина силы Лоренца, генерируемой в двигателе, определяется величиной магнитного поля и током в катушке статора. Геометрия и расположение катушек статора также важны для определения производительности двигателя. Например, количество полюсов на статоре и роторе влияет на форму кривой скорости и крутящего момента для двигателя. Аналогичным образом использование различных типов постоянных магнитов влияет на уровни магнитного потока и, следовательно, на общую эффективность двигателя.
Принципы работы ПМСМ
PMSM — это разновидность электрической машины, которая находит применение в промышленном оборудовании и полностью электрических транспортных средствах. Они также стали заметны во многих отраслях промышленности благодаря своей высокой эффективности, точному управлению и компактным размерам. Понимание того, как работает PMSM, имеет решающее значение для эффективного использования его полного потенциала.
В PMSM части статора и ротора взаимодействуют друг с другом. Статор состоит из множества катушек, намотанных определенным образом, в то время как ротор состоит из постоянных магнитов. Эти постоянные магниты, таким образом, обеспечивают постоянное магнитное поле, взаимодействующее с изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором.
Принцип работы PMSM — электромагнитная индукция. Изменяющееся во времени магнитное поле создается в PMSM путем протекания тока через катушки статора. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует ток в роторе. Этот индуцированный ток генерирует свое самовзаимодействующее магнитное поле с магнитным полем статора.
Более фундаментально, это происходит потому, что взаимодействие, развиваемое магнитными полями, исходящими от статора и ротора, создает крутящий момент, заставляя его вращаться. Это условно описывает так называемую силу Лоренца, определенную ранее в предыдущем разделе; ее величина и направление зависят от силы магнитного поля, с одной стороны, и геометрии и тока, протекающего через катушки статора, с другой стороны.
Он обеспечивает необходимую сенсорную обратную связь по положению ротора и скорости для точности управления PMSM. Таким образом, с помощью такой полученной информации можно обеспечить точное управление с точки зрения установки вектора тока статора для оптимального крутящего момента и наивысшей эффективности. К этим распространенным типам относятся энкодеры, резольверы и датчики Холла.
PMSMs предлагают возможность работы на синхронной скорости. Синхронная скорость относится к той скорости, при которой вращающееся магнитное поле статора имеет ту же скорость, что и ротор. Такая синхронная работа становится возможной благодаря правильному управлению частотой и амплитудой тока статора, что обеспечивает высокую эффективность двигателя.
Синхронная скорость PMSM зависит от количества полюсов как на статоре, так и на роторе. Количество полюсов должно показывать количество пар полюсов север-юг в двигателе. Например, четырехполюсный двигатель имеет два северных полюса и два южных полюса как на статоре, так и на роторе. Количество полюсов дополнительно влияет на характеристики скорости и крутящего момента двигателя, что позволяет оптимизировать конструкцию для различных спецификаций применения.
Другими преимуществами PMSM, помимо высокой эффективности и точного управления, являются высокая плотность мощности, понимаемая как способность обеспечивать большую мощность при уменьшенных размерах. Они имеют широкий рабочий диапазон, что означает, что они могут эффективно работать на разных скоростях и нагрузках. Кроме того, PMSM выделяют меньше тепла и требуют меньшего обслуживания, чем другие типы двигателей, что со временем приводит к экономии средств.
Основной принцип работы синхронного двигателя с постоянными магнитами, таким образом, обычно основан на взаимосвязи между магнитными полями статора и ротора, обеспечиваемой силами Лоренца. Правильное управление током статора позволит двигателю точно регулировать свою скорость и крутящий момент.
Связь между силой Лоренца и PMSM
В PMSM большую роль в работе двигателя играет сила Лоренца. Благодаря этой силе ротор двигателя вращается, взаимодействуя в магнитном поле, создаваемом как статорной, так и роторной частями.
Статор в случае PMSM состоит из катушек. Поскольку в этих катушках течет ток, магнитное поле, создаваемое ими, будет генерироваться в соответствии с законом использования Ампера. Он сделан из постоянных магнитов и имеет постоянное магнитное поле. Когда двигатель начинает работать, возникает сила Лоренца из-за интерференции двух магнитных полей. Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, определяется как F = q(vx B).
Упомянутое фундаментальное уравнение для электромагнитных явлений выглядит следующим образом: где F — сила Лоренца, заряд частицы, движущейся со скоростью v по вектору магнитного поля, где СДПМ обычно перемещают заряженные частицы, которые принимают форму электронов, фактически текущих через катушки статора, в то время как магнитное поле представляет собой сумму поля, создаваемого статором, и поля ротора.
Сила Лоренца всегда перпендикулярна магнитному полю и направлению движения заряженных частиц, а ее определение следует правилу правой руки. Фактически, именно из-за этой силы возникает крутящий момент при вращении в PMSM. Величина этой силы должна зависеть от нескольких факторов, включая напряженность магнитного поля, заряд частиц, который снова связан с током, протекающим через катушку статора, и скорость частиц, связанную со скоростью ротора.
Последующие обсуждения объясняют, как силы Лоренца связаны с синхронными двигателями с постоянными магнитами, принимая во внимание, что они работают в разных режимах. В двигательном режиме, в котором двигатель получает питание, направление силы Лоренца противоположно направлению крутящего момента нагрузки. Таким образом, можно взаимодействовать и приводить в движение механическую нагрузку с помощью двигателя.
В режиме генератора, при замедлении или торможении двигателя, механическая нагрузка прикладывает крутящий момент в противоположном направлении к ротору относительно вращения. В это время сила Лоренца действует в направлении замедления и генерирует электрическую энергию, которая может быть возвращена в систему электроснабжения. Эта возможность рекуперативного торможения является одним из основных преимуществ PMSM, поскольку она повышает общую энергоэффективность.
Это соотношение силы Лоренца, магнитного поля и тока можно оптимизировать таким образом, чтобы можно было достичь наилучшей производительности двигателей. Изменяя величину тока, проходящего через катушки статора, можно добиться изменения интенсивности магнитного поля. Это, очевидно, повлияет на величину силы Лоренца и, следовательно, на результирующий крутящий момент. Таким образом, это обеспечивает очень точное управление скоростью и положением за счет точного управления величиной силы Лоренца, что обеспечивает плавную и эффективную работу двигателей.
То есть, при проектировании двигателя количество полюсов статора и ротора влияет на силу Лоренца и, по сути, на производительность двигателя. Количество полюсов будет определять характеристики скорости и крутящего момента двигателя. Чем больше количество полюсов, тем ниже скорость, но выше выходной крутящий момент; чем меньше количество полюсов, тем выше скорость при меньшем выходном крутящем моменте. Такая гибкость в конструкции позволяет инженеру подгонять PMSM под потребности приложения.
Это снова означает, что сила Лоренца — компонент движущего механизма синхронный двигатель с постоянным магнитом вращение, следовательно, происходит как взаимодействие между магнитными полями, создаваемыми как компонентами статора, так и ротора, в то время как силы Лоренца в отношении взаимосвязи с PMSM в целом обеспечивают точный контроль над их эффективной производительностью. Их основными преимуществами являются очень высокая эффективность, малый размер и рекуперативное торможение. Это тот факт, который объясняет их популярность для применения в промышленности и транспортных средствах: они надежны и обеспечивают высокий уровень плотности мощности. Используя принцип силы Лоренца в применении, инженеры проектируют и дополнительно оптимизируют топологию PMSM для удовлетворения конкретных потребностей, дополнительно способствуя модернизации электрических двигательных систем или энергосберегающих систем.
