Есть ли в двигателе постоянного тока одна точка коммутации, которая является оптимальной во всех отношениях?

Этот недавний вопрос заставил меня задуматься о времени коммутации и о том, почему продвижение может быть желательным Тем не менее, я хотел бы глубже рассмотреть лежащие в основе явления, и я почти уверен, что мое понимание неполно, поэтому я решил попробовать новый вопрос.

Поля статора и ротора объединяются для создания вращающегося общего поля, и некоторые двигатели увеличивают время переключения, чтобы уменьшить искрение коммутатора. Вот иллюстрация из этой статьи о подводных электрических системах :

В разделе, где это появляется, обсуждаются генераторы, поэтому стрелка с надписью «вращение» направлена ​​назад, если мы думаем об этом как о двигателе. Если бы это был двигатель с током и отведенным полем, мы бы ожидали, что он будет вращаться в противоположном направлении, против часовой стрелки.

Поскольку в точке с меткой «новая нейтральная плоскость» ротор не проходит через какие-либо магнитные силовые линии, наведенное напряжение отсутствует, поэтому, если здесь производится коммутация, дуга будет минимальной.

Но, перемещая точку коммутации, мы пожертвовали каким-то другим параметром? Мы уменьшили крутящий момент? Эффективность? Или это оптимальная точка коммутации во всех отношениях?

Я понимаю, что двигатель хочет вращаться против часовой стрелки, потому что это представляет меньшую потенциальную энергию, раскручивая поле и выравнивая поля статора и ротора. Это верно?

Он вращается благодаря силам, действующим вокруг его оси вращения. Эти силы создают крутящий момент, который в свою очередь создает угловое ускорение ротора.

Но если мы переместим точку коммутации туда, разве мы не повернули поле статора, приводя к новой новой нейтральной плоскости? Если мы повторим эту настройку, сходится ли она в оптимальной точке коммутации или мы просто продолжаем скручиваться повсюду? Является ли эта точка коммутации оптимальной во всех отношениях, или есть какие-то компромиссы?

По определению, когда вы поворачиваете одно из полей, у вас появляется новая нейтральная плоскость. Вся точка коммутации в двигателе состоит в том, чтобы удерживать нейтральную плоскость под углом, при котором крутящий момент максимизируется.

Я всегда слышал, что время должно быть более продвинутым на более высокой скорости. Но действительно ли это верно, или это функция тока / напряженности обмотки, которая, как оказалось, коррелирует со скоростью в случае постоянной механической нагрузки?

Я думаю, что вы смешиваете два эффекта здесь. Давайте рассмотрим бесщеточный мотор. Учитывая ток, протекающий через его обмотки, он установится в своей нейтральной плоскости. В этот момент крутящий момент равен нулю (без учета трения). Теперь начните медленно вращать его вручную и постройте график зависимости крутящего момента от положения. Максимум этого графика - ваша точка коммутации «оптимальная медленная скорость». Вы можете получить очень близкое приближение этого графика, используя математические модели. Я бы не назвал это опережением времени. В зависимости от количества фаз и полюсов он будет находиться под некоторым фиксированным углом от нейтральной плоскости. В бесщеточной системе с замкнутым контуром с датчиком положения и без датчиков эффекта Холла вы обычно проходите последовательность, в которой вы пропускаете некоторый ток через обмотки, чтобы обнаружить положение нейтральной плоскости.

В динамической ситуации вы хотите продолжать вращать поле под вашим контролем, чтобы поддерживать одинаковую фазу с фиксированными магнитами. Из-за индуктивности и различных нелинейных эффектов, таких как магнитное насыщениеи температура, время управления должно меняться в зависимости от скорости, чтобы попытаться сохранить одинаковую фазу между полями. По существу, существует задержка между временем подачи команды и фактическим изменением в поле, поэтому команда дается ранее, «расширенно», чтобы компенсировать это. В щеточном двигателе вы можете иметь только одно фиксированное опережение фазы, поэтому вам нужно пойти на какой-то компромисс, если вы планируете работать на разных скоростях. Есть также статические компромиссы в щеточных двигателях, например, размер щеток и характер включения / выключения управления. В некоторых ситуациях эта задержка в любом случае незначительна.

Является ли привод такого двигателя бесколлекторным драйвером BLDC, который обнаруживает пересечения нуля с обратной ЭДС, чтобы найти точку коммутации?

Я думаю, что пересечения нуля с обратной ЭДС недостаточны. Они отражают только «статическое» позиционирование, описанное выше. Таким образом, вам необходимо знать параметры двигателя, прежде чем вы сможете оптимизировать свое управление (например, используя что-то вроде полевого управления )

Вы правы, что нейтральная точка - это то место, где номинальная точка кисти будет расположена номинально. В то время как ротор вращается, поля не двигаются эффективно (сильно), так как движение ротора вызовет возбуждение следующего набора обмоток якоря. Таким образом, изображение поля в «C» будет просто «покачиваться», когда различные обмотки якоря проходят.

Для получения максимального крутящего момента необходимо, чтобы поток якоря и поток поля были правильно выровнены и имели «полную силу». (игнорирование этого крутящего момента действительно является взаимодействием тока и потока ...)

Обратите внимание, что существует постоянная времени для увеличения тока в обмотке якоря из-за сопротивления обмотки и индуктивности. Это вызывает задержку потока / тока якоря. Если эта задержка не компенсируется, то оптимальное производство крутящего момента не будет достигнуто. Продвижение угла коммутации является одним из способов решения этой проблемы.

«Правильный» угол продвижения зависит от скорости вращения ротора, постоянной времени цепи якоря и количества полюсов якоря. Поскольку постоянная времени якоря является фиксированным временем, для более высоких скоростей вращения ротора угол продвижения должен быть увеличен.

Нейтральная плоскость не зависит от скорости, только ток. Магнитное поле статора (горизонтальное на вашей картинке выше) и магнитное поле якоря (вертикальное на вашей картинке выше) на самом деле не «складываются» вместе, если вы не рассматриваете каждое из полей как вектор. Если это так, то вы должны видеть, что нейтральная плоскость может двигаться, когда два поля меняются относительно друг друга (например, если магнитное поле статора остается неизменным, а магнитное поле якоря увеличивается или уменьшается, нейтральная плоскость поедет). Из-за этого вы можете видеть, почему нейтральная плоскость зависит от тока, а не от скорости. Ток через статор и / или якорь (который зависит от нагрузки) определяет напряженность магнитных полей, которая, в свою очередь, определяет местоположение нейтральной плоскости.

Щетки могут быть сдвинуты, чтобы выровнять их с нейтральной плоскостью. Но учитывая тот факт, что расположение нейтральной плоскости зависит от нагрузки, может не быть идеальной («правильно выровненной») позиции для смещения ваших кистей, потому что в большинстве приложений нет единой точки нагрузки. Это также важно иметь в виду, если ваше приложение требует поворота в обоих направлениях. По моему опыту, большинство разработчиков двигателей полагаются на сочетание прошлого опыта и экспериментов для определения правильного выравнивания щетки для конкретного применения.