In un motore a corrente continua, esiste un punto di commutazione ottimale sotto tutti gli aspetti?

Questa recente domanda mi ha fatto pensare al tempismo di commutazione, e perché avanzarlo può essere desiderabile. Tuttavia, volevo considerare più profondamente i fenomeni sottostanti e sono abbastanza sicuro che la mia comprensione sia incompleta, quindi ho pensato di provare una nuova domanda.

I campi dello statore e del rotore si combinano per creare un campo complessivo ruotato e alcuni motori fanno avanzare i tempi di commutazione per ridurre l'arco del commutatore. Ecco un'illustrazione, da questo articolo sui sistemi elettrici sottomarini :

La sezione in cui appare parla dei generatori, quindi la freccia etichettata "rotazione" è all'indietro se pensiamo a questo come a un motore. Se questo fosse un motore, con le correnti e il campo disegnati, ci aspetteremmo che giri nella direzione opposta, in senso antiorario.

Poiché sull'etichetta del punto "nuovo piano neutro" il rotore non sta attraversando alcuna linea magnetica di forza, non vi è alcuna tensione indotta, quindi se la commutazione viene eseguita qui si avrà un arco minimo.

Ma, spostando il punto di commutazione, abbiamo sacrificato qualche altro parametro? Abbiamo ridotto la coppia? Efficienza? O è questo il punto di commutazione ottimale sotto tutti gli aspetti?

La mia comprensione è che il motore vuole girare in senso antiorario perché ciò rappresenta un'energia potenziale inferiore sciogliendo il campo e allineando i campi di statore e rotore. È corretto?

Si gira a causa delle forze che agiscono attorno al suo asse di rotazione. Tali forze creano una coppia che a sua volta crea un'accelerazione angolare del rotore.

Ma se spostiamo lì il punto di commutazione, non abbiamo ruotato il campo dello statore, portando a un nuovo nuovo piano neutro? Se ripetiamo questa regolazione, converge su un punto di commutazione ottimale o continuiamo a torcere dappertutto? Questo punto di commutazione è ottimale sotto tutti gli aspetti o ci sono alcuni compromessi da fare?

Per definizione ogni volta che ruoti uno dei campi hai un nuovo piano neutro. L'intero punto di commutazione in un motore è mantenere il piano neutro all'angolo in cui la coppia viene massimizzata.

Ho sempre sentito che i tempi devono essere più avanzati a velocità più elevata. Ma è assolutamente vero, o è una funzione della corrente di avvolgimento / intensità di campo, che è semplicemente correlata alla velocità nel caso di un carico meccanico costante?

Penso che tu stia mescolando due effetti qui. Consideriamo un motore senza spazzole. Data una corrente che scorre attraverso i suoi avvolgimenti, si depositerà nel suo piano neutro. A questo punto la coppia è zero (ignorando l'attrito). Ora inizia a ruotarlo lentamente a mano e traccia il grafico della coppia rispetto alla posizione. Il massimo di quel grafico è il punto di commutazione "velocità lenta ottimale". Si potrebbe ricavare un'approssimazione molto stretta di quel grafico usando modelli matematici. Non chiamerei questo avanzare nei tempi. A seconda del numero di fasi e poli sarebbe ad un angolo fisso rispetto al piano neutro. In un sistema brushless ad anello chiuso con un codificatore di posizione e senza sensori ad effetto hall, in genere si passa attraverso una sequenza in cui si inserisce corrente attraverso gli avvolgimenti per scoprire la posizione del piano neutro.

In una situazione dinamica, si desidera continuare a ruotare il campo sotto il proprio controllo per mantenere la stessa fase rispetto ai magneti fissi. A causa dell'induttanza e di vari effetti non lineari come la saturazione magneticae la temperatura, i tempi di controllo devono cambiare in funzione della velocità per cercare di mantenere la stessa fase tra i campi. In sostanza c'è un ritardo tra il momento in cui viene dato un comando e l'effettiva modifica nel campo, quindi il comando viene dato prima, "avanzato", per compensare ciò. In un motore a spazzole è possibile avere solo un avanzamento di fase fisso, quindi è necessario scendere a compromessi se si prevede di operare a velocità diverse. Esistono anche compromessi statici nei motori a spazzole, ad esempio la dimensione delle spazzole e la natura on / off del controllo. In alcune situazioni questo ritardo è comunque trascurabile.

Un driver BLDC sensorless che rileva zero zero di back-EMF per trovare il punto di commutazione è un esempio di tale motore?

Penserei che gli incroci di zero EMF posteriori siano insufficienti. Riflettono solo il posizionamento "statico" sopra descritto. Quindi dovresti conoscere anche i parametri del motore prima di poter ottimizzare il tuo controllo (ad es. Usando qualcosa come il controllo orientato al campo )

Hai ragione nel dire che il punto neutro è dove si trova il set point della spazzola. Mentre il rotore gira, i campi non si muovono in modo efficace (molto), poiché il movimento del rotore farà eccitare la serie successiva di avvolgimenti di armatura. Pertanto, l'immagine del campo in "C" sarà solo "oscillante" mentre i diversi avvolgimenti dell'armatura si muovono.

Per la produzione di coppia massima, si desidera che il flusso di armatura e i flussi di campo siano allineati correttamente e alla "massima resistenza". (ignorando che la coppia è in realtà l'interazione tra una corrente e un flusso ...)

Si noti che esiste una costante di tempo in cui la corrente aumenta nell'avvolgimento dell'indotto a causa della resistenza e dell'induttanza dell'avvolgimento. Ciò provoca un ritardo nel flusso / corrente di armatura. Se questo ritardo non viene compensato, la produzione di coppia ottimale non verrà raggiunta. L'avanzamento dell'angolo di commutazione è un modo per affrontarlo.

L'angolo di avanzamento "corretto" dipende dalla velocità del rotore, dalla costante di tempo del circuito di armatura e dal numero di poli di armatura. Poiché la costante di tempo dell'armatura è un tempo fisso, per velocità del rotore più elevate, è necessario aumentare l'angolo di avanzamento.

Il piano neutro non dipende dalla velocità, ma solo dalla corrente. Il campo magnetico dello statore (orizzontale nella tua foto sopra) e il campo magnetico dell'armatura (verticale nella tua foto sopra) in realtà non si "sommano" a meno che tu non pensi a ciascuno dei campi come un vettore. In tal caso, dovresti essere in grado di vedere che il piano neutro può spostarsi mentre i due campi cambiano l'uno rispetto all'altro (ad esempio, se il campo magnetico dello statore rimane lo stesso e il campo magnetico dell'indotto aumenta o diminuisce, il piano neutro si sposterà). Per questo motivo, puoi vedere perché il piano neutro dipende dalla corrente, non dalla velocità. La corrente attraverso lo statore e / o l'armatura (che dipende dal carico) determina la forza dei campi magnetici, che a sua volta determina la posizione del piano neutro.

Le spazzole possono essere spostate per allinearle al piano neutro. Ma dato che la posizione del piano neutro dipende dal carico, potrebbe non esserci una posizione ideale ("correttamente allineata") per spostare le spazzole perché la maggior parte delle applicazioni non ha un singolo punto di carico. Questo è anche importante da tenere presente se l'applicazione richiede la rotazione in entrambe le direzioni. Nella mia esperienza, la maggior parte dei progettisti di motori si basa su una combinazione di esperienze passate ed esperimenti per determinare il corretto allineamento del pennello per una determinata applicazione.