Dans un moteur à courant continu, existe-t-il un point de commutation optimal à tous égards?

Cette récente question m'a fait réfléchir sur le moment de la commutation et pourquoi il peut être souhaitable de l'avancer. Cependant, je voulais approfondir les phénomènes sous-jacents et je suis sûr que ma compréhension est incomplète, alors j'ai pensé essayer une nouvelle question.

Les champs du stator et du rotor se combinent pour créer un champ global tourné, et certains moteurs avancent le temps de commutation pour réduire l'arc du commutateur. Voici une illustration de cet article sur les systèmes électriques sous-marins :

La section où cela apparaît discute des générateurs, donc la flèche étiquetée "rotation" est en arrière si nous considérons cela comme un moteur. S'il s'agissait d'un moteur, avec les courants et le champ dessinés, nous nous attendrions à ce qu'il tourne dans le sens opposé, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Puisqu'au point "nouveau plan neutre" le rotor ne passe par aucune ligne de force magnétique, il n'y a pas de tension induite, donc si la commutation est effectuée ici, il y aura un arc minimal.

Mais, en déplaçant le point de commutation, avons-nous sacrifié un autre paramètre? Avons-nous réduit le couple? Efficacité? Ou est-ce le point de commutation optimal à tous égards?

Ma compréhension est que le moteur veut tourner dans le sens antihoraire car cela représente une énergie potentielle inférieure en détordant le champ et en alignant les champs du stator et du rotor. Est-ce correct?

Il tourne en raison des forces agissant autour de son axe de rotation. Ces forces créent un couple qui à son tour crée une accélération angulaire du rotor.

Mais si nous déplaçons le point de commutation là-bas, n'avons-nous pas fait tourner le champ du stator, conduisant à un nouveau nouveau plan neutre? Si nous répétons cet ajustement, converge-t-il vers un point de commutation optimal ou continuons-nous à nous tordre partout? Ce point de commutation est-il optimal à tous égards, ou y a-t-il des compromis à faire?

Par définition, chaque fois que vous faites pivoter l'un des champs, vous avez un nouveau plan neutre. Le point de commutation entier dans un moteur est de maintenir le plan neutre à l'angle où le couple est maximisé.

J'ai toujours entendu dire que le timing devait être plus avancé à vitesse plus élevée. Mais est-ce strictement vrai, ou est-ce une fonction du courant d'enroulement / de l'intensité du champ, qui se trouve être corrélée avec la vitesse dans le cas d'une charge mécanique constante?

Je pense que vous mixez deux effets ici. Prenons un moteur sans balais. Étant donné un courant traversant ses enroulements, il se déposera dans son plan neutre. À ce stade, le couple est nul (sans tenir compte du frottement). Maintenant, commencez à le faire tourner lentement à la main et tracez le couple en fonction de la position. Le maximum de ce graphique est votre point de commutation "vitesse lente optimale". Vous pouvez obtenir une approximation très proche de ce graphique en utilisant des modèles mathématiques. Je n'appellerais pas cela faire avancer le calendrier. Selon le nombre de phases et de pôles, il serait à un certain angle fixe par rapport au plan neutre. Dans un système sans boucle en boucle fermée avec un codeur de position et aucun capteur à effet Hall, vous passeriez généralement par une séquence où vous mettriez du courant à travers les enroulements pour découvrir la position du plan neutre.

Dans une situation dynamique, vous souhaitez continuer à faire tourner le champ sous votre contrôle pour conserver la même phase par rapport aux aimants fixes. En raison de l' inductance et de divers effets non linéaires tels que la saturation magnétiqueet la température, le timing du contrôle doit changer en fonction de la vitesse pour essayer de maintenir la même phase entre les champs. Il y a essentiellement un délai entre le moment où une commande est donnée et le changement réel dans le champ, de sorte que la commande est donnée plus tôt, "avancé", pour compenser cela. Dans un moteur à balais, vous ne pouvez avoir qu'une seule avance de phase fixe, vous devez donc faire une sorte de compromis si vous prévoyez de fonctionner à différentes vitesses. Il existe également des compromis statiques dans les moteurs à balais, par exemple la taille des balais et la nature marche / arrêt de la commande. Dans certaines situations, ce délai est de toute façon négligeable.

Un pilote BLDC sans capteur qui détecte les passages à zéro arrière-EMF pour trouver le point de commutation est-il un exemple d'un tel moteur?

Je pense que les passages à zéro de retour EMF sont insuffisants. Ils ne reflètent que le positionnement "statique" décrit ci-dessus. Vous devez donc connaître également les paramètres du moteur avant de pouvoir optimiser votre contrôle (par exemple en utilisant quelque chose comme un contrôle orienté sur le terrain )

Vous avez raison de dire que le point neutre est l'endroit où le point de consigne du pinceau serait situé nominalement. Pendant que le rotor tourne, les champs ne se déplacent pas (beaucoup) efficacement, car le mouvement du rotor provoquera la mise sous tension de la prochaine série d'enroulements d'induit. Ainsi, l'image de champ en "C" ne fera que "se tortiller" lorsque les différents enroulements d'induit passeront.

Pour une production de couple maximale, vous voulez que le flux d'induit et les flux de champ soient correctement alignés et à «pleine force». (ignorer ce couple, c'est vraiment l'interaction d'un courant et d'un flux ...)

Notez qu'il y a une constante de temps pour que le courant augmente dans l'enroulement d'induit en raison de la résistance et de l'inductance de l'enroulement. Cela provoque un retard dans le flux / courant d'induit. Si ce retard n'est pas compensé, la production de couple optimale ne sera pas atteinte. Faire progresser l'angle de commutation est une façon de résoudre ce problème.

L'angle d'avance "correct" dépend de la vitesse du rotor, de la constante de temps du circuit d'induit et du nombre de pôles d'armature. Étant donné que la constante de temps d'induit est un temps fixe, pour des vitesses de rotor plus rapides, l'angle d'avance doit être augmenté.

Le plan neutre ne dépend pas de la vitesse, seulement du courant. Le champ magnétique du stator (horizontal dans l'image ci-dessus) et le champ magnétique de l'armature (vertical dans l'image ci-dessus) ne s'additionnent pas vraiment à moins que vous ne pensiez à chacun des champs comme un vecteur. Si oui, alors vous devriez pouvoir voir que le plan neutre peut se déplacer lorsque les deux champs changent l'un par rapport à l'autre (par exemple, si le champ magnétique du stator reste le même et que le champ magnétique de l'armature augmente ou diminue, le plan neutre se déplacera). Pour cette raison, vous pouvez voir pourquoi le plan neutre dépend du courant et non de la vitesse. Le courant à travers le stator et / ou l'armature (qui dépend de la charge) détermine la force des champs magnétiques, qui à son tour détermine l'emplacement du plan neutre.

Les brosses peuvent être déplacées pour les aligner avec le plan neutre. Mais étant donné que l'emplacement du plan neutre dépend de la charge, il peut ne pas y avoir de position idéale ("correctement alignée") pour déplacer vos brosses car la plupart des applications n'ont pas un seul point de charge. Il est également important de garder à l'esprit si votre application nécessite une rotation dans les deux sens. D'après mon expérience, la plupart des concepteurs de moteurs s'appuient sur une combinaison d'expériences et d'expériences passées pour déterminer l'alignement approprié des brosses pour une application donnée.