О принципах работы электродвигателей с постоянными магнитами.

[T-Duke]

По сути это геометрическая проблема вписывания многоугольника в окружность, которой занимался еще Птолемей в глубокой древности. Просто применительно к обмоткам двигателей это явление назвали фактором намотки. А суть осталась прежней - приблизиться к окружности через многоугольник. Рассчитывается там все довольно просто через половинные углы и число полюсов.

[Цуриков]

 Вот попробовал на калькуляторе многополюсный мотор - фактор высокий  но LRK обычного модельного моторчика ещё выше  Как так?

[T-Duke]

Видимо то что понимают под вайндинг фактором буржуи и то что понимаю я несколько отличается. Может таки это разные вещи. Нужно будет поискать у буржуев в сети и разобраться. Но то что с ростом числа полюсов, электрическая машина, по качеству передачи ЭДС стремится к фактору 1.0 это бесспорно. Это можно доказать математически и проверить на практике. Почему так, как показано на картинках, нужно разбираться. Я не намотчик двигателей и не конструктор оных, я физик. А мы физики любим что-то неизведанное и если нужно мы разберемся в вопросе досконально, даже если при этом придется на время стать конструктором двигателей. Придется завтра пошерстить западный инет и разобраться что именно подразумевают буржуи под вайндинг фактором. Я же ответил так, как понимаю это явление с наскоку с точки зрения общего взгляда на двигатели. Но вопрос интересный, хоть и узко-прикладной. Завтра займусь им. Чувствую придется полазить в буржуйском секторе инета. Очень не люблю их технические статьи. По сравнению со советскими у них все похоже на руководства для домохозяек. Но я люблю проникать в непонятные вопросы до конца. Поэтому пока не выясню что именно буржуи под этим понимают, не буду говорить безаппеляционно.

[Alex75]

Как же в случае минимально распределённой обмотки, например, 6N2P, 12N4P, 18N6P, 24N8P и т.д.? В этих случаях по калькулятору обмоток winding factor = 1 при Shortening=0(укорочение). По моему мнению, виндинг фактор - это эффективность использования площади магнитов в данной конфигурации обмотки.

[Babylon4]

Но то что с ростом числа полюсов, электрическая машина, по качеству передачи ЭДС стремится к фактору 1.0 это бесспорно. Это можно доказать математически и проверить на практике. Почему так, как показано на картинках, нужно разбираться
Но я люблю проникать в непонятные вопросы до конца. Поэтому пока не выясню что именно буржуи под этим понимают, не буду говорить безаппеляционно.

  Варианты с фактором 1.0 существуют например 36/12. Но меня больше занимает вопрос другой, почему варианты например 12/10 и 12/14 имеют одинаковый фактор?? Почему не учитываются коэффициенты заполнения по железу и по магнитам.

По моему мнению, виндинг фактор - это эффективность использования площади магнитов в данной конфигурации обмотки.

   Если это было так то необходимо вводить и относительную ширину магнитов( или коэффициент заполнения) получается или упрощённая матрица или пособие для намотчиков. Также ставит в тупик разные значения для 1 или 2 слоёв(интересные данные пока не видно что бы кто то их использовал)

   Чувствую загрузил вас капитально, в общем то тема должна быть познавательна а вышла предельно специфичной. 

[T-Duke]

Ребяты, не ссыте, прорвермся. Если я уже через квантовую механику когда-то прорвался, то и тут разберемся. По моему здесь обычная путаница в понятиях и терминах, что обычно для более прикладных дисциплин чем фундаментальные. Если бы мне в физике кто-то сказал, что постоянная Планка у буржуев не такая как у нас, я бы сразу его послал. А в прикладных дисциплинах чего только не бывает. Сегодня не хочу уже вникать где собака порылась и что имеют в виду буржуи. Лучше Вавилон-5 посмотрю, решил тряхнуть стариной (один ник мне напомнил о былом ). Завтра начну разбираться.

[Babylon4]

Лучше Вавилон-5 посмотрю, решил тряхнуть стариной (один ник мне напомнил о былом ).

Завтра начну разбираться.

  Хороший сериальчик, можно сказать самый первый.

   Да будет день и будет .....

[T-Duke]

Итак пересмотрел несколько разных источников буржуйских. То что они подразумевают под вайндинг фактором, на самом деле составное понятие, являющееся произведением двух величин. Winding factor = pitch factor * distribution factor.  При чем все факторы ниже 1.

То о чем я говорил у буржуев называется distribution factor и он может стремиться только к 1. Кроме того, и питчевый фактор тоже всегда меньше единицы. Полный фактор может равняться единице, только когда оба фактора равны 1. Уже сомнительно, что этот фактор может быть равен полной единице. Нужно проверить будет, но я несколько сомневаюсь в достижении единицы. Короче понятно что это составной фактор, осталось выяснить правильные формулы расчета составляющих.

[Babylon4]

Почему не учитываются коэффициенты заполнения по железу и по магнитам.

  Или был не внимательным или  калькуляторе добавили новенькое.   Теперь можно(на сколько я понял) задавать параметры ротора, но вот на диаграмме есть изменения в зависимости от ширины полюса (при чем значительные) а вот на общей закладке они не отражаются.

   PS. Прочитал ваши  посты в разных темах, у меня сложилось такое мнение что вы пытаетесь рассматривать контролер и двигатель отдельно, как по мне нельзя получить приемлемые параметры без их совместной привязки или получить что разумное из китайского МК.  Не имею опыта в программировании, поэтому не лезу в дебаты, но при всей правильности полемики вы явно что то упускаете.       

[T-Duke]

PS. Прочитал ваши  посты в разных темах, у меня сложилось такое мнение что вы пытаетесь рассматривать контролер и двигатель отдельно, как по мне нельзя получить приемлемые параметры без их совместной привязки или получить что разумное из китайского МК.  Не имею опыта в программировании, поэтому не лезу в дебаты, но при всей правильности полемики вы явно что то упускаете.     

Не, мнение сложилось неправильное. Контроллер подстраивается вручную под каждый конкретный двигатель, путем задания набора параметров, таких как индуктивность и сопротивление обмотки, момент инерции ротора и некоторые другие параметры компенсации нелинейностей малых порядков. Ну и перехожу потихоньку на автоматическое измерение основных параметров двигателя. Контроллер успешно крутит разные мотор-колеса от велосипедных до скуттерных, так же проверял работу маленького авиамодельного 100Вт двигателя и обычного асинхронного двигателя. Может что-то и упускаю, но если бы нашелся тот, кто бы сказал что именно

[clawham]

Почитал подумал поискал - не нашел. нигде не сказало в ликбезе о том что BLDC можно раскрутить до оборотов бОльших чем обороты на хх при которых напряжение противоэдс быольше напряжения питания А ведь в этом то и кроется секрет хорошего контроллера - правильное управление моментом и величиной подачи тока в обмотки!
В Вашем идеальном двигателе упущен из виду такой момент что размер магнита конечен и когда-то ваша проволочка таки доедет до конца этого магнита и перестанет совершать работу. поэтому чтобы получить вращение и делают много магнитов разной полярности по кругу друг к другу близко расположенных и обязательно четное число а вот прокодников делают кратным 3 и переключают в моменты когда собственно эти проводники к краю двух магнитов подходят.
С этого начинается нюанс того что сила магнитного потока постоянного магнита при вращении мотора - величина не постоянная а синусоида!она знакопеременна с каждым новым магнитом пролетающим над проводником а на моменте перехода от одного магнита к другому - вообще равна нулю. Отсюда и произрастает необходимость питать BLDC синусным напряжением ибо при постоянной скорости движения но переменном потоке в обмоткаж будет формироваться переменная ЭДС и чтоб не терять КПД на пульсации тока - нужно стараться держать ток константой на протяжении всего цикла вращения. И вот тут то и вылазит тот факт что индуктивность проводника с железным сердечником достаточно серьёзная и не позволяет мгновенно наращивать ток в обмотке и следовательно момент подачи напряжения на обмотку и момент появления тока это разные моменты и они порой очень сильно по времени различаются. Этим то и занимаются качественные контроллеры и на это плюют китайские примитивные. Но оно всеравно работает так как сопротивление обмотки все это пережевывает и на хх ток то со знаком + в начале перехода от одного магнита к другому то со знаком минус в моменте когда поток от магнита наибольший. в сумме это все равно нулю-потери на трении и нагреве обмоток. Но есть одно НО.  если неправильно установить датчики или использовать неправильно намотанный мотор(ну или переключить звезду в треугольник) то существует вариант когда по датчикам уже пройден момент перехода границы двух магнитов а в реальности нет. а потому ток начинает подаваться в обмотку заблаговременно. когда противоэдс ещё с отрицательным знаком! Конечно это не порождает бесконечных токов ввиду индуктивности но тм не менее мы сильно перекашиваем наше равенство + и - тока на хх и потому мотор начинает разгоняться намного быстрее чем скорость при которой эдс мотора равна эдс батареи. При этом от батареи будет браться больше тока так как больше будет уходить на нагрев провода. но тем не менее это позволяет иметь скорость 40 кмч на моторе и батарее которые в нормальном режиме едут 30.

Собственно существует другая проблема - медленные контроллеры не успевают реагировать на изменение состояния датчиков и потому опаздывают с моментом переключения и как следствие не только не дают выйти мотору на положенные обороты так ещё и сильно портят КПД. особенно это касается высокооборотистых моторов с редукторами.

[T-Duke]

Работа на оборотах больших чем позволяет напряжение питания, относится к векторному алгоритму  и называется Field weakening. Применительно к BLDC  говорить нет смысла, это фишка векторного управления, хотя это можно реализовать и на BLDC на блочном контроллере.

[clawham]

так я ж написал что это может быть реализовано китайцами сразу при намотке - достаточно на один зубец сместиться например на маджикпае и уже будет прикол с опережением и дикими оборотами [[ но при этом слабой тягой на низах с места.
Второй вариант - звезда/треугольник. при правильно установленных холлах для звезды при переходе в треугольник получаем или опережение или опазщдывание на 33 градуса(помоему) электрических в зависимости от схемы комутации в треугольник. и начинается то же самое - было на звезде 60 кмч хх станет в треугольнике не 85 а вообще под 100 но под нагрузкой да - быстрее 85 ехать не сможет - будет просто вваливаться ток без появления соответствующего момента - нагрев обмотки. Єто при тупом блочном контроллере безо всяких синусов векторов и т.д. - тупой электронный коллектор на основе датчиков холла и с шим-модулятором для ограничения тока .
А ещё в этом режиме очень хорошо насилуются конденсаторы восоковольтные в контроллере ибо перекос токов + и - там просто сумашедший и размах тоже до пары номиналов батарейного. И все это прилетает транзисторам не только нижним а и верхним. Потому в треугольнике контроллеры как утюг греются даже на хх там итак в 1.41 раз бОльший фазный ток который диоды нижних фетов греет так ещё и на околомаксимальной скорости когда ШИМа уже нет - просто прямоугольники комутации - верхние феты тоже получают свою нехилую дозу адреналина

Естественно умный векторный контроллер должен все эти нюансы учитывать и создавать всегда одинаковое магнитное поле одинаково опережающее поле магнитов во всех трех обмотках и при этом одинаковой величины. учитывая и запаздывание нарастания тока изза индуктивности и механические дефекты(у меня например Ддшка несиметричный - в одной обмотке есть лишний зуб   -он потому что на синусе что на блочке - воет песенки резонансами и раздалбывает подшипники) та полно нюансов. И потому я ЗА рассмотрение системы мотор-контроллер а не мотор отдельно контроллер отдельно. Конечная техническая реалзация не всегда сможет подстраиваться к низким частотам комутации и огромной индуктивности ддшек и противоположности - высокооборотистым редукторникам у которых огромные частоты комутации и низкая индуктивность. Если контроллер может нормально работать с редукторником то он нормально и ддшку будет крутить а вот наоборот не факт - может не хватить быстродействия и как следствие - точности углов опережения.

[RommT]

Можно прокомментировать практику выставления углов опережения на коллекторных двигателях? Во многих тяговых коллекторниках есть возможность выставлять угол опережения, так же в старых приборных моторчиках обнаружил такую возможность. У себя на дс3.6 выставил опережение наугад 11 градусов, получил прибавку оборотов ХХ на треть при том же токе от 12в, так и езжу. Пробовал менять +-20 градусов, ток потребления почти не менялся, а обороты менялись раза в два, при смещении больше резко рос ток. Читал, что это связанно с реакцией якоря, что это и с чем связанно? В Мини-е обнаружил что для одного и того же мотора при разном напряжении надо выставлять разные углы опережения, иначе греется и не тянет. При 48в было -6,4, при 89в было +2,2. Это тот же эффект?

[T-Duke]

Реакция якоря это другое явление, хотя и родственное. При сильной нагрузке, магнитное поле якоря, значительно искажает поле статора. Для компенсации этого явления, при постоянной нагрузке, щетки смещаются от нейтрали на некоторый угол. А для меняющейся нагрузки в мощных коллекторных машинах, используют дополнительные компенсационеые обмотки, выравнивающие поле статора.

А вот о чем идет здесь речь,  называется field weakening, когда поле якоря ослабляет поле постоянных магнитов и якорь начинает вращаться быстрее. Механизм действия, аналогичен смешению щеток от нейтрали, но цель другая, разогнать двигатель до оборотов больших чем максимально возможные при заданном напряжении питания. Это эквивалентно тому, что индукция постоянных магнитов уменьшилась.

Если использовать двигатель не с магнитами, а с обмоткой возбуждения (шунтовый), то его характеристику можно менять, изменяя ток через обмотку возбуждения. Например уменьшая ток, уменьшаем индукцию, крутящий момент падает, но предельные обороты растут. Тут не требуется манипуляций с углами опережения. Тут есть обмотка, которая прямо управляет индукцией поля статора.

В случае постоянных магнитов, регулировать их индукцию прямо не получится. Но можно заставить часть поля якоря, работать против поля магнитов. Это эквивалентно уменьшению индукции магнитов.
Момент падает, но обороты начинают расти. Во векторных контроллерах эта фича называется field weakening. В невекторных непонятно кто как называет, но механизм действия одинаков - задается некоторое угловое смещение поля ротора от поля статора, что приводит к эквивалентному снижению индукции поля магнитов.

На самом деле индукция самих магнитов не меняется, просто ослабляется магнитный поток созданный ими.

[Genadi]

На транспорте применяются двигатели разных типов, от простых щеточных ДПТ, до асинхронных. В мощных транспортных применениях по удельным параметрам двигатели можно выстроить в ряд: IPMSM (лидеры), затем SPMSM / BLDC, затем SRM, затем асинхронные, и на последнем месте щеточные ДПТ. Любителей асинхронников и последователей Дуюнова, попрошу не загаживать тему пустбреховством, так как асинхронный привод в отстое.

Но ведь у постоянного магнита есть какой-то предел   использования его в мощном транспорте. Расскажите, пожалуйста,  какой. Только честно.

[Alex75]

Этот предел отодвигается пропорционально массе магнитов в двигателе. Чем больше их масса, тем хуже виден предел.

[T-Duke]

Но ведь у постоянного магнита есть какой-то предел   использования его в мощном транспорте. Расскажите, пожалуйста,  какой. Только честно.

Предел удельных параметров двигателей на неодимовых магнитах, далеко за пределом возможностей асинхронного привода. Господа асинхронщики, не пытайтесь раздувать холивар, не выйдет.

А теперь честно о пределах. Первый предел это характер так называемой кривой размагничивания. По ней можно найти напряженность магнитного поля,  при которой магнит может размагнититься. То есть, при сильном токовом ударе через обмотку статора, слабоватые магниты могут размагнититься. К таким магнитам относятся в первую очередь магниты типа Альнико. При проектировании двигателей с такими магнитами, это явление учитывают, например увеличивая воздушный зазор,  или аппаратно ограничивают токи через двигатель.

С появлением магнитов NeFeB,  электропривод получил мощные постоянные магниты, о которых  ранее просто не могли мечтать конструктора. Неодимовые магниты в двигателе размагнитить нереально. Их то намагничивают не так легко, в мощных промышленных импульсных генераторах магнитного поля. Неодимовый магнит, представляет собой мощный источник магнитного поля. Для того, чтобы создать  такую же индукцию поля с помощью электромагнита, толщина медной обмотки, должна в несколько раз превышать толщину неодимового магнита. При этом вес эквивалентного электромагнита будет в несколько раз больше. Кроме того, чем толще сами магниты, тем более сильное поле можно получить. Это важно при росте воздушных зазоров, или при сильных противодействующих полях. В случае электромагнитов, наращивание магнитного потока, особенно при росте зазоров, требует значительного роста числа ампер-витков и массы сердечника.

Почему я уделяю внимание электромагнитам? Потому что статор асинхронника по сути электромагнит, создающий вращающееся магнитное поле. И чтобы приблизиться по напряженности поля, к неодимовым магнитам, у асинхронного двигателя статор должен быть значительно тяжелее, и при этом, на нем должно быть меди значительно больше, чем у неасинхронного двигателя. В равных условиях, когда диаметры роторов одинаковы, масса стали в статоре и количество меди в его пазах одинаковы, асинхронные двигатели, резко проигрывают двигателям с неодимками, по всем параметрам. Как по плотности момента, так и по плотности мощности, так и по КПД.

Второй предел магнитов это температура, или точка Кюри. Эта точка указывает на температуру потери магнитных свойств. Тут большинство магнитов на высоте,  так как точка Кюри у них находится при многих сотнях градусов. Например у магнитов Альнико эта точка превышает 800 градусов цельсия. У неодимовых магнитов дела обстоят хуже. Такие магниты не рекомендуется нагревать выше 80градусов по цельсию. При росте температуры, индукция неодимок немного снижается, кривая размагничивания сдвигается в область меньших напряженностей.

И да. Магниты постепенно размагничиваются. Для неодимок, величина потери индукции примерно один процент в год. То есть за 10 лет, неодимовые магниты, снижают свою индукцию на 10% всего.

Вот, если честно о постоянных магнитах.

И да, как вывод - неодимовые магниты рулят в приводе, позволяя получать САМЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ массовые электродвигатели, со САМЫМИ ВЫСОКИМИ удельными параметрами.