在直流电机中,是否存在一个在所有方面都最佳的换向点?

电器工程 发动机 电磁学
2022-01-19 15:32:24

这个最近的问题让我思考了换向时间,以及为什么推进它是可取的。但是,我想更深入地考虑潜在的现象,我很确定我的理解是不完整的,所以我想我会尝试一个新的问题。

定子和转子磁场结合形成一个旋转的整体磁场,一些电机提前换向时间以减少换向器电弧。这是一篇关于海底电气系统的文章的插图:

场失真

出现的部分正在讨论发电机,因此如果我们将其视为电动机,则标有“旋转”的箭头是向后的。如果这是一台电机,绘制了电流和磁场,我们预计它会以相反的方向逆时针转动。

由于在点标签“新中性平面”处,转子没有通过任何磁力线,因此没有感应电压,因此如果在此处执行换向,则电弧将最小化。

但是,通过移动换向点,我们是否牺牲了一些其他参数?我们降低了扭矩吗?效率?或者这是所有方面的最佳换向点?

3个回答

我的理解是电机想要逆时针转动,因为通过解开磁场并对齐定子和转子磁场,这代表了较低的势能。它是否正确?

它是由于围绕其旋转轴作用的力而转动的。这些力产生扭矩,进而产生转子的角加速度。

但是如果我们将换向点移到那里,我们不是旋转了定子磁场,导致了一个新的新中性平面吗?如果我们重复这个调整,它会收敛到一个最佳的换向点还是我们只是一直在整个地方扭曲?这个换向点在所有方面都是最优的,还是需要做出一些妥协?

根据定义,每当您旋转其中一个字段时,您都会拥有一个新的中性平面。电机中的整个换向点是将中性平面保持在扭矩最大化的角度。

我一直听说,时间必须在更高的速度下更先进。但这是严格正确的,还是绕组电流/场强的函数,在恒定机械负载的情况下恰好与速度相关?

我认为您在这里混合了两种效果。让我们考虑一个无刷电机。给定电流流过其绕组,它将稳定在其中性平面。此时扭矩为零(忽略摩擦)。现在开始用手慢慢旋转它并绘制扭矩与位置的关系图。该图的最大值是您的“最佳慢速”换向点。您可以使用数学模型得出该图的非常接近的近似值。我不会称之为推进时间。根据相数和极数,它将与中性平面成某个固定角度。在带有位置编码器且没有霍尔效应传感器的闭环无刷系统中,您通常会通过一个序列,将一些电流通过绕组以发现中性平面的位置。

在动态情况下,您希望在您的控制下继续旋转磁场,以保持与固定磁铁相同的相位。由于电感和磁饱和等各种非线性效应和温度,控制时间需要随着速度的变化而变化,以试图保持场之间的相同相位。本质上,在给出命令的时间与场中的实际变化之间存在延迟,因此更早地给出命令,“提前”,以弥补这一点。在有刷电机中,您只能有一个固定的相位提前,因此如果您计划以不同的速度运行,则需要做出某种妥协。有刷电机也存在静态折衷,例如电刷的尺寸和控制的开/关特性。在某些情况下,这种延迟无论如何都可以忽略不计。

检测反电动势过零以找到换向点的无传感器 BLDC 驱动器是此类电机的示例吗?

我认为反电动势过零是不够的。它们仅反映上述“静态”定位。因此,在优化控制之前,您还需要了解电机参数(例如,使用诸如磁场定向控制之类的东西)

你说得对,中性点是画笔设定点名义上的位置。当转子转动时,磁场不会有效移动(很多),因为转子的移动会导致下一组电枢绕组通电。因此,“C”中的场图将随着不同的电枢绕组移动而“摆动”。

为了产生最大扭矩,您希望电枢磁通和磁场磁通正确对齐并处于“全强度”状态。(忽略扭矩实际上是电流和通量的相互作用......)

请注意,由于绕组电阻和电感,电枢绕组中的电流增加有一个时间常数。这会导致电枢磁通/电流延迟。如果不补偿此延迟,则将无法实现最佳扭矩产生。提高换向角是解决此问题的一种方法。

“正确”的提前角取决于转子速度、电枢电路的时间常数和电枢极数。由于电枢时间常数是一个固定时间,对于更快的转子速度,提前角需要增加。

中性平面不依赖于速度,只依赖于电流。定子磁场(上图中的水平方向)和电枢磁场(上图中的垂直方向)并没有真正“相加”在一起,除非您将每个磁场都视为一个矢量。如果是这样,那么您应该能够看到中性平面可以随着两个磁场相对于彼此的变化而移动(例如,如果定子磁场保持不变并且电枢磁场增加或减少,则中性平面将移动)。因此,您可以看到为什么中性平面取决于电流而不是速度。通过定子和/或电枢(取决于负载)的电流决定了磁场的强度,这反过来又决定了中性平面的位置。

可以移动画笔以将它们与中性平面对齐。但鉴于中性平面的位置取决于负载这一事实,可能没有理想的(“正确对齐”)位置来移动刷子,因为大多数应用程序没有单个负载点。如果您的应用程序需要双向旋转,请记住这一点。根据我的经验,大多数电机设计师依靠过去的经验和实验的结合来确定给定应用的正确电刷对齐方式。