Como funcionam os motores elétricos

02/01/2012 at 3:42 pm

Muito tem sido escrito sobre a escolha do motor direito, estimando-se o desempenho, a instalação do motor no seu avião, e assim por diante. Este mês, eu decidi voltar ao básico e descrever como o motor realmente obras. Você precisa saber isso para fazer modelos elétricos? Provavelmente não, mas um bom entendimento do funcionamento de um motor pode ajudá-lo a diagnosticar problemas. E algumas pessoas, inclusive eu, gostaria de saber como tudo funciona. Assim, se você estiver interessado, continue a ler!

 

Ímãs

A força motriz fundamental por trás todos os motores elétricos, sejam escovados ou brushless, AC ou DC, é o magnetismo. Provavelmente todos nós já brincou com ímãs em algum momento ou outro, e ter aprendido sobre eles na aula de ciências na escola primária.

Lembre-se que qualquer ímã tem um pólo norte e um pólo sul (apenas acontece assim que a Terra é um ímã, cujos pólos acontecer corresponde muito aproximadamente aos pólos geográficos, daí os nomes para os pólos do ímã). Se você pegar dois ímãs em forma de barra e alinhá-las, elas serão atraídas para um outro, no caso de um pólo norte está ao lado do outro pólo sul. Se você alinhá-los para o norte ou do sul para o norte para sul, eles se repelem. Os opostos se atraem.

Considere um conjunto de três imãs, como mostrado na figura 1. Os ímãs mão direita e esquerda são fixadas com alguma superfície, eo centro do ímã está livre para girar em torno de seu centro.

Figura 1. O ímã giratório central girará até que esteja alinhado com os dois ímãs fixos, pólo norte ao pólo sul.

Por causa da atração dos pólos opostos, o ímã centro girará até que esteja alinhado como na Figura 2.

Figura 2. Uma vez alinhado, ele vai resistir a ser transformada mais.

Porque o imã tem peso e, portanto, dinâmica, seria realmente superação ligeiramente, e depois voltar, superação de novo, e assim por diante algumas vezes antes de se estabilizar.

Agora, imaginar que poderia trabalhar um pouco de magia e trocar o norte magnético do ímã centro e pólos da mesma forma que ultrapassagem pela primeira vez, como mostra a Figura 3.

Figura 3. Se magicamente inverter os pólos do imã central um pouco antes se trata de resto, vai continuar girando.

Em vez de voltar, agora seria repelido pelos ímãs fixos e continue virando para que ele possa alinhar-se em outra direção. Eventualmente, ela poderia atingir o estado na Figura 4, que olha com desconfiança a Figura 1.

Figura 4. Eventualmente, ele irá voltar para a posição em que começou a partir da Figura 1.

Se executar este pólo de troca cada vez que o centro do ímã só termina superação da posição alinhada, seria manter a transformar para sempre.

O problema é como realizar essa proeza de movimento magnético.

Eletroímãs

Os ímãs que jogamos com são chamados de ímãs permanentes. Esses objetos têm um campo magnético fixo que está sempre lá. Os pólos são fixos em relação ao outro e em relação ao ímã física.

Outro tipo de ímã é o eletroímã. Na sua forma mais simples, consiste de uma barra de ferro, envolto em uma bobina do fio, como na Figura 5.

Figura 5. O eletroímã é apenas um pedaço de ferro ou outros metais magnéticos com uma bobina de fio enrolado em torno dele.

Por si só não faz nada. No entanto, se você passar uma corrente elétrica através do fio, um campo magnético é formado na barra de ferro, e se torna um ímã, como na Figura 6.

Figura 6. Aplicando uma corrente em direção produzirá um ímã.

Se você desligar a corrente, ele deixa de ser um imã (que é um pouco de uma simplificação, uma vez que, na realidade, acaba permanecendo um imã fraco, mas não precisamos nos preocupar com isso no momento).

Até agora, o eletroímã já parece bastante útil, pois podemos usá-lo para pegar ferro, aço, níquel ou objetos, levá-las em algum lugar, e depois deixá-los por apenas desligar a corrente (Wrecking Yard guindastes fazer isso com os automóveis inteira) .

A única coisa realmente interessante sobre um eletroímã é que a sua polaridade (localização dos pólos norte e sul) depende do sentido do fluxo atual. Se passar a corrente no sentido oposto, os pólos do eletroímã será invertida, como mostra a Figura 7.

Figura 7. Aplicando corrente no sentido oposto irá produzir um imã com polaridade oposta.

 

Eureka!

Se substituirmos o ímã central em nosso conjunto de três ímãs com um eletroímã, como na Figura 8, temos o início de um motorelétrico.

Figura 8. Substituindo o ímã central na Figura 1 com um eletroímã nos dá o início de um motor. Clique para ampliar.

Agora nós temos dois problemas para resolver: a alimentação a corrente do eletroímã girando sem fios ficando torcido, e mudando a direção da corrente, no momento oportuno.

Ambos os problemas são resolvidos através de dois dispositivos: um split comutador anel e um par de escovas. Figura 9 ilustra estas.

Figura 9. Ao adicionar um comutador (o semi-arcos circulares) e escovas (com as setas de largura), podemos mudar a polaridade do eletroímã, ela se transforma. Clique para ampliar.

Os dois semicírculos são o comutador e as duas setas são os pincéis. A corrente elétrica é aplicada às escovas, indicado pelo “+” e “-” sinais.

Com a atual como mostrado, o eletroímã será repelido pelos dois ímãs permanentes, e girará em sentido horário. Depois ele se transformou maneira quase meia volta, será no estado mostrado na Figura 10.

Figura 10. Os ímãs são praticamente alinhados, mas em breve, irá inverter a polaridade, enviando o eletroímã girando em seu caminho em torno de uma vez. Clique para ampliar.

Então, assim como o ímã atinge o estado alinhados, a divisão no comutador passa sob os pincéis e, em seguida a corrente através do eletroímã inverte, o que nos leva de volta à condição na Figura 9. Como resultado, o ímã continua a girar. Nós temos um motor!

Alguns Terminologia

A discussão acima culminou na elaboração de um simples de dois pólos, dois slot, ímã permanente, escovado, de corrente contínua (DC motor).

O termo de dois pólos se refere ao fato de que existem dois pólos de ímã permanente envolvidas na operação do motor, o pólo sul do ímã do lado esquerdo eo pólo norte do ímã à direita. O motor seria realmente trabalhar com apenas um ímã fixo (por exemplo, só o imã da mão esquerda), mas seria menos poderosa e eficiente.

O eletroímã rotação é conhecida como a armadura. Two-slot significa que a armadura é constituída por uma única bobina de fio em torno de uma única barra, com apenas duas extremidades (o termo “slot” refere-se a distância entre as extremidades da armadura, uma vez que a armadura não é geralmente em forma de barra, mas tem uma ampla final).

Real Motors

Em um verdadeiro motor de dois pólos, os dois pólos são muitas vezes as duas extremidades do imã mesmo. Embora o motor pode aparecer para conter dois ímãs separado, os laços de aço do motor caso eles juntos para agir como um ímã único. É realmente como se nossos automóveis foram construídos como na Figura 11, com o eletroímã girando dentro de um buraco no ímã permanente.

Figura 11. Em muitos motores, os dois ímãs fixos são realmente um dos dois pólos do que é efetivamente um ímã (embora possa ser feita de dois ímãs individuais ligados a carcaça do motor). Clique para ampliar.

 

Motores prático real, normalmente têm menos de três armadura slot, e um comutador com três segmentos. Há no entanto ainda só duas escovas. Maior tensão e motores de alta eficiência têm slots ainda mais (um número ímpar) e mais segmentos do comutador (o mesmo que o número de slots), escovas e mais (sempre um número par). Fotos 1 e 2 mostram a armadura, comutador e escovas de um baixo custo típico motor de três caça-níqueis.

 

 

 

 

 

 

 

 

Foto 1. Esta é uma armação de três 540 slot de uma barata do tamanho de ferrite “podemotor“.

Foto 2. As escovas em um “pode”motor são mantidos no lugar por folha liga molas que também servem para transportar atual. O comutador foi simulado com um pedaço de madeira com algumas marcações sobre ele para melhor mostrar como ele se acopla com os pincéis.

Figura 12 ilustra um motor de três ranhura em forma conceitual. Observe que o pincel é agora maior, contatando os segmentos do comutador numa área mais vasta, e realmente abrangendo dois segmentos, às vezes.

Figura 12. Esta é uma representação esquemática de um típico três-slot-motorescovado dois pólos. A armadura tem três eletroímãs, e três segmentos de comutador. As escovas de contato, por vezes mais de um segmento. Clique para ampliar.

Notar também que ambas as extremidades do eletroímã número 2 está em contato com o “-” escova num determinado ponto no tempo capturado pela Figura 12. Isso significa que nenhuma corrente está fluindo através de eletroímã 2, e apenas o número 1 e 3 estão ligados.

Efetivamente, a armadura é agora um par de eletroímãs, número 3 está sendo atraído pelo pólo norte da mão direita ímã permanente, eo número 1 está sendo repelidos.

Um duodécimo de uma volta mais tarde, como na Figura 13, os três eletroímãs têm corrente que flui através deles.

Figura 13. O mesmo motor, como na Figura 12, um duodécimo de uma rotação (30 graus) mais tarde. Clique para ampliar.

Agora, o número 1 eletroímã está sendo repelida tanto pela mão direita ímã permanente, e atraídos pela mão esquerda. Número 2 está a ser repelidos pelo ímã da esquerda, eo número 3 ainda está sendo atraído pelo ímã direita.

Outra décimo segundo de uma volta mais tarde, na Figura 14, eletroímã 1 está sendo atraído pelo ímã mão esquerda, eo número 2 ainda está sendo repelidos.

Figura 14. O motor da Figura 12, um sexto de uma rotação (60 graus) mais tarde. Clique para ampliar.

3 eletroímã é desligado. Esta progressão de eletroímãs ligar e desligar continua como o motor gira, acabou voltando para o estado da Figura 12.

Motor Brushless

Há uma série de inconvenientes para o pincel e mecanismo comutador utilizado em um motor escovado: o atrito causa escovas, há alguma resistência elétrica na escova interface de comutador, ea comutação mecânica dos resultados da corrente da armadura de ignição, que pode causar interferências de rádio. Motores Brushless acabar com as escovas e comutador de contornar estes problemas. Interferência O resultado é uma maior eficiência (maior poder de produção para uma determinada quantidade de energia de entrada), e menos elétrico.

Os princípios básicos que um motor brushless opera são exatamente as mesmas que as de um motor escovado. Figuras 15 e 16 mostram duas fases da operação de um simples motor brushless.

Figura 15. Isso é o equivalente a motor brushless da Figura 9. Os eletroímãs são fixos, e gira o ímã permanente. Clique para ampliar.

 

Observe que a Figura 15 é quase idêntico ao da Figura 9, exceto que não há nenhuma escovas e comutador, e os tipos de imãs foram trocadas. Os ímãs permanentes têm electro-se, e vice-versa. O ímã rotativo permanente está sendo repelida pelos dois eletroímãs.

Figura 16. O motor da Figura 15, quase uma volta completa mais tarde. Observe que os eletroímãs mudaram sua polaridade. Clique para ampliar.

Na Figura 16, quase uma volta completa mais tarde, a polaridade dos magnetos mão esquerda e direita foi alterada. O ímã rotativo está sendo puxado para o alinhamento.

O problema a ser resolvido aqui é como fazer com que os eletroímãs para reverter sua polaridade na hora certa. Pode-se elaborar uma espécie de sistema mecânico controlado pela rotação do ímã permanente, mas isso anularia os benefícios principais de motores brushless.

Em vez disso, os eletroímãs são controlados por um circuito externo. Este circuito monitora a posição atual do ímã rotativo, e energiza os ímãs externos de forma adequada para manter o motor girando. Este circuito é parte do controle de velocidade brushless eletrônico (ESC).

Existem duas formas para um brushless para monitorar a posição do ímã giratório. Uma delas é por meio de sensores magnéticos (baseado no efeito Hall). Estes sensores relatório ao CES por meio de um conjunto separado de fios. O outro método é conhecido como “sensores”. Grosso modo, neste método, o CES acompanha os três fios do motor de energia para as flutuações causadas pelos ímãs girando.

Brushless Terminologia

Desde a montagem de um eletroímã brushless motor permanece estacionário, é chamado um estator, em vez de uma armadura. O conjunto magnético rotativo é chamado de rotor.

Real Brushless Motors

Assim como um verdadeiro motor escovado raramente tem apenas dois postes e uma armadura dois slot, um verdadeiro motor brushless raramente tem apenas um rotor de dois pólos e um dois-estator slot. Comercialmente mais disponível motores brushlesstêm pelo menos quatro pólos, e um estator slot nove ou mais. No entanto, para fins de comparação, a Figura 17 ilustra uma hipotética dois pólos três slots brushless motor, que corresponde aos nossos dois pólos três slots brushed motor.

Figura 17. Esta é uma representação esquemática de um hipotético três slots dois motores brushless pólo. O rotor tem um ímã permanente (dois pólos), e do estator tem três eletroímãs (três faixas) e três pontos de conexão. Clique para ampliar.

Repare que há três pontos de conexão de receber o poder do ESC brushless (um motor com mais de três estatores tem-fio em três grupos, assim, ainda há apenas três ligações de energia).

 

Foto 3. Os componentes de um 36/30/1.5 Aveox motor brushless.
www.Aveox.com

No estado representada na figura 17, o poder está a ser aplicada aos dois leva marcado com “+” e “-“, que energiza os eletroímãs, como mostrado. O eletroímã superior esquerdo está a atrair o pólo norte do rotor, no canto inferior esquerdo é um repelente, e do eletroímã mão direita está repelindo o pólo sul do rotor. Como o rotor gira, o CES vai mudar o que leva poder ter aplicado a eles. Às vezes, só leva a dois, como na Figura 17, e em outras vezes todas as três derivações vontade (como na Figura 13 para um motor escovado).

Mundo Real Issues

A teoria do funcionamento do motor descrito aqui é correto, mas um tanto simplificada. Se você examinar os diagramas de perto, você verá situações em que a polaridade reversa pode muito cedo, aparentemente, fazendo com que o motor pare. Devido a uma série de fatores, tais como o tempo que leva para o campo magnético em colapso, ea dinâmica da armadura, um motor real não vai necessariamente parar nessa situação.

A relação entre a posição da armadura (ou rotor) e os ímãs (ou estator), e no momento em que os eletroímãs mudar a sua polaridade, é conhecido como “timing”. Em um motor escovado, é ajustada pelo reposicionamento das escovas em relação aos ímãs permanentes. Em uma de efeito Hall sensored motor brushless, são os sensores que são reposicionados. Em um motor sensorless, o CES ajusta automaticamente o calendário com base no retorno que está recebendo a partir do motor.

O momento ideal depende da velocidade do motor e atuais, e para a eficiência máxima, devem ser ajustadas para a condição operacional específico do motor.

Se você estiver familiarizado com os motores de combustão interna, isto é semelhante à configuração plug timing ideal de ignição. Teoricamente, a ficha deverá ser acionado quando o pistão atinge o topo do cilindro (ponto morto superior), mas devido à dinâmica domotor eo tempo que leva para o combustível para queimar na verdade, a ficha deve fogo mais cedo. Modernos motores de automóveis eletronicamente para ajustar essa precisamente adequar as condições; motores velhos de carros usados um vazio mecanismo orientado para avançar para ajustá-lo de acordo com a carga do motor.

Outros motores

Existem muitos outros tipos de motores elétricos, como motores de indução CA, motores AC síncronos, motores de passo (realmente uma forma especializada de motor sem escovas), e assim por diante. Todos estes motores funcionem com as variações dos princípios que olhamos. Eles diferem apenas na forma como eles executam o trabalho do comutador. Atualmente, nenhum desses outros tipos de motores são utilizados em vôo elétrico.

 

Este material é um tradução do site http://www.stefanv.com qualquer erro de publicação nos avisar.