モーターがどのように回転するのか疑問に思ったことはありませんか？関係する基本は何ですか？それはどのように制御されていますか？DCブラシ付きモーターは長い間市場に出回っており、DC電源/バッテリーだけで簡単に回転しますが、誘導モーターと永久磁石同期モーターは、複雑な電子機器と制御理論を使用して効率的に回転します。私たちもに入る前にDCモータが何であるか、または他であるかのモーターの種類は、理解することが重要である最も基本的なモーター-リニアモータの動作を。これは、モーターの回転の背後にある基本を理解するのに役立ちます。
私はパワーエレクトロニクスとモーター制御エンジニアです。次のブログはモーター制御についてです。しかし、モーター制御の深部に入る前に理解する必要がある特定のトピックがあり、この記事でそれらをカバーします。
- リニアモーターの操作
- モーターの種類とその歴史
- 顕著性
- 固定子と回転子の間の磁束相互作用
リニアモーターの操作
パワーエレクトロニクスのエンジニアである私は、モーターの操作についてあまり知りませんでした。私はたくさんのメモ、本、そして紹介されたビデオを読みました。基本的な電気機械エネルギー変換法であるファラデー法とローレンツ力法を再度参照するまで、いくつかのモーターとその制御を詳細に理解するのに苦労しました。これらの法律を理解するために少し時間を費やします。すでにご存知の方もいらっしゃるかもしれませんが、もう一度お試しください。あなたは何か新しいことを学ぶかもしれません。
ファラデーの法則
ファラデーの誘導の法則は、ワイヤーのコイルの磁束とそれに誘導される電圧との関係を述べています。
e（t）=-dφ/ dt…（1）
ここで、 Φ はコイル内の磁束を表します。これは、モーターの電気モデルを導出するために使用される基本的な方程式の1つです。コイルは空間に分散された多数のターンで構成され、これらの各ターンを通る磁束を考慮する必要があるため、この状況は実際のモーターでは発生しません。磁束リンケージ（λ）という用語は、すべてのコイルにリンクされた総磁束を表し、次の式で与えられます。
Φ nは とリンク束nは番目のコイルを、Nは巻き数です。これは、コイルが直列構成のN個のシングルターンで形成されていると説明できます。したがって、
λ=Nφe （t）=-dλ/ dt =-Ndφ/ dt
マイナス記号は通常、レンツの法則に起因します。
レンツの法則は次のように述べています。EMF（起電力）は、それに関連する磁束が変化すると、ワイヤーのコイルに誘導されます。 EMFの極性は、抵抗がその両端でシャントされた場合、その中に流れる電流が、そのEMFを誘発した磁束の変化に対抗するようなものです。
上図のように、紙面を下向きに向けた磁場（B̅）に置かれた導体（ロッド）を通してレンツの法則を理解しましょう。力Fが印加される水平移動ロッドが、ロッドは、水平導体と接触して常に。外部抵抗Rは、電流を流すためのシャントとして使用されます。したがって、この配置は、電圧源（誘導起電力）と抵抗を備えた単純な電気回路のように機能します。このループに関連するフラックスは、B̅に関連する領域が増加するにつれて変化しています。これにより、ファラデーの法則（磁束の変化速度によって大きさが決まります）とレンツの法則（誘導電流が磁束の変化に対抗するように極性が決まります）に従って、回路にEMFが誘導されます。
右手の経験則は、現在の方向を知るのに役立ちます。誘導電流の方向に指を曲げると、親指はその誘導電流によって生成されたフィールドの方向を示します。この場合、B̅磁場による磁束の増加に対抗するには、紙面の外に磁場を発生させる必要があるため、電流は反時計回りに流れます。その結果、端子Aは端子Bよりも正になります。負荷の観点から、正のEMFは磁束の増加とともに発生するため、次の式を記述します。
e（t）=dλ/ dt
負荷の観点からこの式を記述しているため、負の符号を無視していることに注意してください。（モーターを扱い始めると、同様のケースが発生します）。最終的な電気回路は下図のような形になります。議論されたケースは発電機の場合ですが、モーターの観点から符号の規則を使用しており、下の図に示されている極性は正しいです。（モーターの動作に移ると明らかになります）。
誘導起電力は次のように計算できます。1ターンのコイル（この場合は導体）は、次の磁束リンケージを生成します。
ここで、Aはループの面積、lは導体の長さ、vは加えられた力のためにロッドが移動する速度です。
上記の式を見ると、EMFの大きさは導体の速度に比例し、外部抵抗とは無関係であると言えます。ただし、外部抵抗によって、速度（したがって電流）を維持するために必要な力が決まります。この議論はローレンツ法の形で続けられます。
ローレンツ法
最初に方程式をチェックしてから、それを理解しようとします。
F = q。（E + Vc x B）
これは、Vの速度で電荷q移動の粒子場合と述べC電磁場には、それは力を受けます。モーターでは、電界Eは関係ありません。したがって、
F = q。Vc。B
電界が導体の長さ全体にわたって時間とともに一定であり、導体に垂直である場合、上記の方程式を次のように書くことができます。
F = q。dx / dt。B = dq / dt。バツ 。B = il B =B。i。l
これは、電荷に作用する力が電流に正比例することを示しています。
最初の図に戻ると、加えられた外力がEMFを誘導し、それが抵抗器に電流を誘導することがわかりました。すべてのエネルギーは、抵抗器で熱として放散されます。エネルギー保存の法則が満たされている必要があるため、次のようになります。
F。v = e。私
この方程式は、機械的エネルギーがどのように電気エネルギーに変換されるかを表しています。この配置はリニアジェネレータと呼ばれます。
最後に、モーターがどのように動作するか、つまり電気エネルギーがどのように機械エネルギーに変換されるかを確認できます。下の図では、外部抵抗を回路の集中抵抗に置き換えており、電流を供給する外部電圧源があります。この場合、ローレンツ法によって与えられた力（F DEVELOPED）を観察します。力の方向は、以下に示す右手の法則によって確立できます。
これがリニアモーターの仕組みです。すべてのモーターは、これらの基本原理から派生しています。ブラシ付きDCモーター、ブラシレスモーター、PMSMモーター、誘導モーターなどの操作について説明している詳細な記事やビデオがたくさんあります。したがって、操作について説明する記事をもう1つ作成しても意味がありません。これは、さまざまなタイプのモーターとその操作に関する優れた教育ビデオへのリンクです。
モーターの歴史
- 歴史的に、広く使用されているモーターには、ブラシ整流子DC、同期モーター、誘導モーターの3種類があります。多くのアプリケーションはさまざまな速度を要求し、DCモーターが広く使用されていました。しかし、1958年頃のサイリスタの導入とトランジスタ技術はシーンを変えました。
- 効率的な速度制御アプリケーションに役立つインバーターが開発されました。トランジスタデバイスは自由にオンとオフを切り替えることができ、PWM動作が可能になりました。以前に開発された基本的な制御方式は、誘導機用のV / fドライブでした。
- 並行して、永久磁石が効率を改善するために界磁コイルに取って代わり始めました。また、正弦波永久磁石機と一緒にインバーターを使用することで、ブラシをなくしてモーターの寿命と信頼性を向上させることができました。
- 次の主要なステップは、これらのブラシレスマシンの制御でした。2反応理論（またはdq理論）は、1900年以前にフランスのアンドレブロンデルによって導入されました。これは、過渡状態および定常状態で機械を正確にモデル化できる複雑な空間ベクトルと組み合わされました。初めて、電気的量と機械的量を相互に関連付けることができました。
- 誘導電動機は1960年まで大きな変化は見られませんでした。2人のドイツ人– BlaschkeとHasseはいくつかの重要な革新を行い、誘導電動機の今では有名なベクトル制御につながりました。ベクトル制御は、定常状態ではなく、誘導モーターの過渡モデルを扱います。電圧振幅と周波数の比率を制御するだけでなく、位相も制御します。これにより、誘導モーターを速度制御や高ダイナミクスのサーボアプリケーションで使用できるようになりました。
- センサーレスアルゴリズムは、これらのモーターの制御における次の大きなステップでした。ベクトル制御（またはフィールド指向制御）では、ローターの位置を知る必要があります。以前は高価な位置センサーが使用されていました。モーターモデルに基づいてローターの位置を推定する機能により、センサーなしでモーターを実行できました。
- それ以来、変更はほとんどありません。モーターの設計とその制御はほぼ同じままです。
モーターは前世紀から進化してきました。また、電子機器は、さまざまなアプリケーションでの使用に役立っています。この世界で使用される電気の大部分はモーターによって消費されます！
さまざまな種類のモーター
モーターはさまざまな方法で分類できます。いくつかの分類を見ていきます。
これは最も一般的な分類です。ACモーターとDCモーターに関しては多くの混乱があり、それらを区別することが重要です。次の規則に固執しましょう。「端子に」AC電源を必要とするモーターはACモーターと呼ばれ、「端子に」DC電源で動作できるモーターはDCモーターと呼ばれます。「端子で」は、モーターを動かすために使用される電子機器の種類を排除するため、重要です。例：ブラシレスDCモーターは、実際にはDC電源で直接実行することはできず、電子回路が必要です。
モーターは、以下に示すように、電源と整流に基づいて分類できます-ブラシまたはブラシレス
上記のモーターのモーター設計については深く掘り下げていませんが、対処したい2つの重要なトピックがあります。回転子フラックスと固定子フラックスの顕著性と相互作用です。
顕著性
トルク生成やインダクタンスなどの機械パラメータの側面は、機械の磁気構造に影響されます（永久磁石機械の場合）。そして、その側面の最も基本的なものは顕著性です。顕著性は、ローターの位置による磁気抵抗の変化の尺度です。このリラクタンスがローターのすべての位置で一定である限り、マシンは非突出と呼ばれます。ローターの位置によって磁気抵抗が変化する場合、その機械は突極と呼ばれます。
なぜ顕著性を理解することが重要なのですか？突極モーターはトルクを生成するために2つの方法を持つことができるからです。モーターのリラクタンス変動を利用して、磁気トルク（磁石による）とともにリラクタンストルクを発生させることができます。下の図に示すように、リラクタンストルクを追加することで、同じ電流に対してより高いトルクレベルを達成できます。これは、IPM（内部永久磁石）モーターの場合に当てはまります。（純粋にリラクタンス効果に作用するモーターがありますが、ここではそれらについては説明しません。）次のトピックは、磁束のリンケージと顕著性をよりよく理解するのに役立ちます。
（注：下図の角度前進は、固定子電流とエアギャップ磁束の間の位相差を示しています。）
ローターとステーター間のフラックス相互作用
モーターの磁束は、ローターからエアギャップを越えてステーターに移動し、エアギャップを通ってローターに戻り、フィールドループを完了します。その経路では、磁束にはさまざまな磁気抵抗（磁気抵抗）が見られます。ラミネーション（スチール）は高いのでμの非常に低い抵抗を有するR（鋼の比透磁率は、数千の範囲内である）は、エアギャップが非常に高い抵抗を有しているのに対し、（μ rは、約1に等しいです）。
鋼全体に発生するMMF（起磁力）は、エアギャップと比較して磁気抵抗が無視できるため、非常に小さくなります。 （電気回路のアナログは次のようになります。電圧源（磁石）が抵抗器を介して電流（磁束）を駆動します（エアギャップリラクタンス）。抵抗器に接続された導体（鋼）の抵抗は非常に低く、電圧降下は無視できます。 （MMFドロップ）それを横切って）。したがって、固定子鋼と回転子鋼の構造による影響はごくわずかであり、MMF全体が有効なエアギャップリラクタンス全体で発生します（磁束経路内の非鉄材料は、エアギャップの比透磁率と等しいと見なされます）。 。エアギャップの長さはローターの直径と比較してごくわずかであり、ローターからの磁束はステーターに垂直であると安全に想定できます。スロットや歯によるフリンジ効果やその他の非線形性がありますが、これらは通常、機械のモデリングでは無視されます。 （機械を設計するときにそれらを無視することはできません）。しかし、エアギャップ内の磁束は、ローター磁束（永久磁石機の場合は磁石）によって与えられるだけではありません。固定子コイルの電流も磁束に寄与します。モーターに作用するトルクを決定するのは、これら2つの磁束の相互作用です。そして、それを説明する用語は、実効エアギャップ磁束リンケージと呼ばれます。アイデアは、数学に入って方程式を導き出すことではなく、2つのポイントを取り除くことです。しかし、エアギャップ内の磁束は、ローター磁束（永久磁石機の場合は磁石）によって与えられるだけではありません。固定子コイルの電流も磁束に寄与します。モーターに作用するトルクを決定するのは、これら2つの磁束の相互作用です。そして、それを説明する用語は、実効エアギャップ磁束リンケージと呼ばれます。アイデアは、数学に入って方程式を導き出すことではなく、2つのポイントを取り除くことです。しかし、エアギャップ内の磁束は、ローター磁束（永久磁石機の場合は磁石）によって与えられるだけではありません。固定子コイルの電流も磁束に寄与します。モーターに作用するトルクを決定するのは、これら2つの磁束の相互作用です。そして、それを説明する用語は、実効エアギャップ磁束リンケージと呼ばれます。アイデアは、数学に入って方程式を導き出すことではなく、2つのポイントを取り除くことです。
- MMF全体がエアギャップ全体で発達するため、エアギャップ内のフラックスのみに関心があります。
- エアギャップ内の効果的な磁束リンケージは、固定子電流と回転子磁束（磁石）の両方によるものであり、それらの間の相互作用によってトルクが生成されます。
上の図は、さまざまなタイプのモーターのローターとステーターを示しています。 それらのどれが顕著でどれがそうでないかを見つけることは興味深いでしょう？
注：これらのモーターのそれぞれで、DとQの2つの軸がマークされています（Q軸は磁気軸であり、D軸はそれに電気的に垂直です）。今後の記事でD軸とQ軸に戻ります。上記の質問では重要ではありません。
回答：
A、B、C –非突出、D、E、F、G、H –突出（磁石は異なるローター位置で磁気抵抗に影響します。下の図を参照、J、K-ローターとステーターの両方が非突出です。
この時点でこの記事を終了します。もっと多くの数学と機械モデリングについて議論することができたかもしれませんが、ここでは複雑になりすぎます。モーターの制御を理解するために必要なトピックのほとんどをカバーしました。次の一連の記事では、フィールド指向制御（FOC）、空間ベクトル変調（SVM）、磁束弱化、およびコントローラーの設計を開始すると行き詰まる可能性のあるすべての実用的なハードウェアとソフトウェアの側面に直接移動します。