Alle ting der kommer ud af en motor

Moment, hastighed og sånt

Dette indlæg er opfølgningen på serien Motors-in-robotics. Selvom det, jeg vil præsentere dig her, stadig er grundlæggende forestillinger og kan rettes til enhver, der er interesseret i at vide mere om det, så tøv ikke med at kigge på de tidligere poster (typer motorer inden for robotik, DC-motorretning og hastighedskontrol, hvordan man læser et datablad), vil de hjælpe dig med at udvide din viden om elektriske motorer og starte på godt grundlag.

Din DC-børstede motor er virkelig fuld af overraskelser: du tror, ​​at hvis den fodrer den med lidt elektrisk kraft, giver den venligt en drejeaksel. Nogle gange drejer det meget hurtigt, nogle gange langsommere og med mere eller mindre kraft - faktisk drejningsmoment -. Det er noget fantastisk, og det er godt nok.

Men det er faktisk ikke helt alt.

Kan du huske dette billede, som jeg satte i et af de første indlæg om motorer?

Medvirkende fra venstre til højre: et transmissionstårn som den elektriske input; en dejlig sort kasse som en DC børstet motor; og en roterende top som udgangsmekanisk effekt.

Det er dog meget forenklet, og virkeligheden er lidt anderledes. Hvad jeg vil forklare her er stadig forenklet, men dog lidt mere præcis.

En motor genererer mere end en rotation, mere end kun drejningsmoment og hastighed. Der er mange andre ting, der kommer ud af det, og de går fra ting, som du ikke rigtig bryder dig om, til ting, du ønsker aldrig findes. Lad os gennemgå alt hvad der virkelig kommer ud af dine motorer.

Moment og hastighed

Vi begynder med det grundlæggende. Begge disse output er de vigtigste, fordi det er dem, vi ønsker. En motor skal rotere, den roterer, kølig, lad os tage en kop kaffe.

Hvad er de? Drejningsmoment er den kraft, der anvendes på afstanden til et objekts drejepunkt - derfor er det en kraft gange en afstand -, der lader objektet rotere. I International System of Units-måling er det repræsenteret i Newton-meter (Nm) (1). Anvendt på din motor er drejningsmoment også rotationskraften fra rotoren.

Hastighed er faktisk rotorens omdrejningshastighed. Intet meget at sige om det, fordi du allerede ved fra et tidligere indlæg, at du kan kontrollere denne hastighed med nem elektronik og PWM. Du kan udtrykke det i radianer pr. Sekund (rad / s) eller det meste af tiden i omdrejninger pr. Minut (omdr./min.) (1).

Lad mig minde om, at i en jævnstrømsmotor betyder høj hastighed lavt drejningsmoment og omvendt. På den karakteristiske kurve ser det sådan ud:

Denne blå kurve viser alle teoretiske funktionspunkter (defineret ved et drejningsmoment og en hastighed) for en motor ved en given spænding.

Denne kurve er repræsenteret af følgende funktion:

N er hastighed (Y-akse) og T er drejningsmoment (X-akse). N_0 er hastighed uden belastning, T_stall er drejningsmoment.

Vi har allerede diskuteret om dette i et tidligere indlæg, men det er interessant at præcisere, at denne lineære kurve er teoretisk. I din virkelige verden kan det se sådan ud:

Trægheds øjeblik

For mens en motor arbejder, er dens rotor en roterende masse. Og enhver roterende masse har et inerti øjeblik. Du kan se det som en faktor til at beregne, hvor meget moment der er behov for for at give en bevægelse til et objekt. Dens enhed er kg.m² (SI) eller lb.ft².

Træghetsmoment - også kaldet roterende inerti - af et objekt afhænger af tre faktorer: objektets masse, placeringen af ​​dens rotationsakse og dens massefordeling rundt om denne akse. For eksempel er der behov for mere drejningsmoment for at rotere til et frit vandret cykelhjul end for at rotere en lille rotor. Begge masse er jævnt fordelt, men cykelhjulet er tungere, og noget af dets masse er langt væk fra rotationsaksen; for rotoren er det virkelig let, og massen er meget tæt på dens rotationsakse.

Et andet eksempel: hvilken banan er enklere at rotere, dvs. har brug for mindre drejningsmoment? Svaret er bananen til højre, kun på grund af rotationsakseens position, hvilket indebærer en anden fordeling af massen i hvert tilfælde.

For at lette videnskabsmenneskenes smertefulde liv, kan inertiberegningens øjeblik forenkles eller assimileres til et referencesolid (som en kugle, en terning osv.).

Vinkelacceleration

DC-motorer skal levere acceleration for at ændre hastighed. For eksempel, fra tomgangshastighed til hvilken hastighed en rotor ønsker at få, er overgangen ikke spontan (fordi en uendelig acceleration såvel som et nulstrækkelsesmoment er meget usandsynligt), det har brug for en acceleration for at nå en given hastighed. I tilfælde af reduktion af hastigheden er en deceleration kun en negativ acceleration.

Acceleration - faktisk vinkelacceleration -, drejningsmoment og treghedsmoment hænger tæt sammen ved denne ligning:

Se, hvordan livet er enkelt?

Moment (T) (i Nm) er lig med treghedsmoment (I) (i kg.m²) gange vinkelacceleration (alfa) (i m / s², alle enheder her er form SI). Denne ligning fremgår af Newtons bevægelseslov.

Tilbage elektromotorisk kraft

Også kaldet mod elektromotorisk kraft, back-EMF eller CEMF. Back-EMF er en spænding (i V), en potentialforskel. I spolerne på en motor vises det, mens elektroner bevæger sig gennem ledningerne, mens de er under magnetisk feltbevægelse (Lenz 'lov forklarer det måske bedre end mig).

Denne er vanskelig, fordi elektromotorisk kraft og elektromotorisk kraft er det samme fænomen. Kun en af ​​dem (back-EMF) udøver en mekanisk kraft, der er imod motorens bevægelse, mens den anden giver motoren en rotation (du kender allerede processen, forresten).

En back-EMF kan måles med en spænding genereret ved motorens udgang, som i visse tilfælde kan beskadige de elektroniske kredsløb.

Imidlertid er back-EMF proportional med rotorens omdrejningshastighed, hvilket gør det til tider meget nyttigt at måle dem.

Varme

Varme er et tilbagevendende møde, når man håndterer elektrisk strøm. Hvorfor det? Det skyldes, at elektrisk strøm altid sættes ansigt til ansigt med elektriske komponenter, og mange af dem har mere eller mindre modstand mod elektricitet. Denne modstand betyder elektrisk energi, der omdannes til varme. En berømt ligning kaldet Joules første lov forklarer den:

I det internationale enhedssystem er P_th i Joule, R i Ohm og i i Ampere

I denne ligning er R modstanden for enhver ledende komponent, og i er den strøm, der strømmer gennem denne komponent. P_th er den termiske effekt, dvs. kraften (2), der transformeres i ren varme, der udsendes fra komponenten.

I en jævn børstet motor strømmer elektricitet ind i viklingen; med en modstand, har denne vikling en tendens til at opvarmes i henhold til strømmængden.

At opsummere:

En del af den elektriske kraft transformeres altid i varme, når den passerer gennem elektriske komponenter.

Forresten, jo mere en komponent (som en motor) har en tendens til at varme, jo mere siges dens effektivitet - hvilket er forholdet mellem udgangseffekt og indgangseffekt - at være lav. Komponent med høj effektivitet udsender meget lidt varme.

En DC børstet motor har, mens den kører, en konstant friktion mellem børster og kommutatorer og mellem aksel og hus gennem glideleje eller kuglelejer. Denne friktion er også en varmegenerator, dvs. en effektivitetsmorder.

Dette var den tredje ting, der kommer ud af en motor, og vent her, der er mere.

Magnetfelt

Selvfølgelig kan du huske denne fra et af mine forrige indlæg om en livredd baneformet løft, de fleste af de elektriske motorer kører med magnetfelt - ikke sort magi.

Elektricitet, der løber gennem det viklede, genererende magnetfelt og giver bevægelse til elektrisk inducerede eller permanente magneter. En sætning til at opsummere, hvordan en motor fungerer! Sød.

Lad os præcisere, at kun de permanente magneter producerer et "statisk" magnetfelt. Resten og især magnetfeltet fra viklingen kaldes mere elektromagnetisk, det vil vi se om kort tid.

Alligevel forsvinder alt dette magnetiske rod ikke væk, det danner slags imaginære linjer fra en pol til en anden (negativ til positiv), som vi kalder et magnetfelt, rundt om motoren. Dets styrke måles i Amperes pr. Meter (A / m). Selvom imaginær er gengivelse af linjer er en dejlig model til at hjælpe med at forstå, hvordan et magnetfelt ville se ud, hvis du havde superkrafter.

Jorden har tilfældigvis noget lignende:

Jordens magnetfelt skyldes ikke det høje antal jævnstrømsmotorer på dens overflade. (Kilde)

Ethvert magnetisk materiale (f.eks. Et jernfremstillet objekt) placeret i nærheden af ​​en motor vil interagere med dets magnetiske felt. Selvom intet materiale kan stoppe og annullere et magnetfelt, er det muligt at oprette skjold, der er i stand til at omdirigere magnetlinjerne.

EMI

Så hvem er endda denne Emi, og hvad har hun at fortælle os om motorer?

EMI står for elektromagnetisk interferens. Det er en blanding mellem elektroniske og magnetiske felter, der begge er vinkelret på hinanden og mod deres udbredelsesretning.

E er retningen for det elektriske felt, B er det magnetiske felts retning, og C er deres udbredelsesretning. Her λ er perioden og vil ikke tale om den.

For at forenkle kan vi sige det er en stråling af energi gennem luften omkring motoren. Det er forårsaget af elektricitet, der løber gennem vikling, og også gennem kommutatorer, børster, terminaler og ledninger.

Denne form for interferens er ikke rigtig velkommen, hvis ikke helt uønsket. De kan påvirke elektroniske kredsløb i høj grad, så det går så langt som at stoppe med at arbejde. Heldigvis kan elektromagnetiske afskærmninger påføres for at reducere deres udbredelse.

Bemærk: Kommunikationsbusser, der bruges til at sende signal - f.eks. I2C - kan være virkelig fornuftig for interferens. Nogle af dem tilvejebringer imidlertid differentielt par, der stort set er det samme signal, der transiterer på to ledninger med samme længde, hvor det ene signal modsættes fra det andet. Den elektromagnetiske interferens er den samme på begge ledninger, forskellen i signal ved modtagelse giver mulighed for at få et rent signal. Dette er grunden til den tilknyttede bus kaldet Robus (fra Luos Robotics) bruger et differentielt par.

Bonus: Støj, vibrationer, lys og andre ting

Støj

Der er ikke meget at sige om støjen: kun den genereres hovedsageligt fra friktion af børster på pendlere og af skaft på lejer. Visse vibrationer kan også vises på skaftet ved høj hastighed og øge støj.

En sidste ting: hyppigheden af ​​elektrisk signal gennem viklingen kan undertiden generere en støj, især mellem 100 Hz og 8000 Hz (mere eller mindre det hørbare interval for menneskelig hør). Styring af motorer ved 20 kHz er en måde at undgå høje lyde på.

Vibrationer

Da motorisering indebærer bevægelse, og på trods af at rotorens rotationsakse er ret beliggende i dens massecentrum, er inertien aldrig perfekt afbalanceret. Hver motor genererer mere eller mindre vibrationer.

"Lys"

Teknisk betyder varmeproduktion fotongenerering, dvs. lys. Men dette ville være uklart for at sige, at viklingen kunne varme på det tidspunkt for at frembringe synligt lys, og at lyset ville være synligt gennem mellemrummene i motorens hus, for ikke at nævne dette ville betyde, at motoren smelter og ... brænder. Så ikke fungerer mere. Men teknisk set ja, “let”.

Lugt?

Når du taler om at snuble, prøv nogensinde at lugte en kørende motor? Faktisk kunne den slags plastskærm omkring spoletråden udsende nogle ildelugtende partikler under opvarmning.

Jeg tror, ​​det er tid til at stoppe her, vær venlig ikke engang at prøve at smage på en motor.

Det er alt for i dag.

For de dovne eller for de, der har travlt, her er en TL; DR:

En elektrisk motor leverer (hvad der ønskes):

  • Torque ...
  • ... og hastighed, begge to forventes meget af en sund kørende motor.
  • Træghetsmoment: på grund af rotorens masse.
  • Acceleration for at overføre fra enhver hastighed til en anden.

Men også (hvad der undertiden ikke er ønsket):

  • “Tilbage” EMF
  • Varme på grund af Joule-effekten og friktioner.
  • Magnetfelt, genereret af vikling og magneter.
  • EMI, fra elektricitet, der flyder overalt, det kan flyde.
  • Støj, vibrationer, "lys" og lugt ...

En elektrisk motor giver ikke:

  • Sort magi, undskyld.
Vibrationer og lys (og lugt) blev frivilligt udeladt på dette tal.

Tak fordi du læste. - Hvis du kunne lide det, du læste, skal du klappe helvede ud af det og følge os på Medium!

Bemærk (1): For en hurtig oversigt over de forskellige målesystemer og enheder, se afsnittet Enheder er helvede i dette indlæg.
Bemærk (2): En strøm er energien pr. Tidsenhed, så den termiske effekt er den strøm, der konverteres fra elektrisk energi til termisk energi.

Jeg er ingeniør i mekatronik, medstifter af Luos Robotics. Vi udvikler nye teknologier for at bygge robotter lettere og hurtigere.