Em um motor DC, existe um ponto de comutação ideal em todos os aspectos?

Essa pergunta recente me fez pensar sobre o tempo de comutação e por que avançá-lo pode ser desejável. No entanto, eu queria considerar mais profundamente os fenômenos subjacentes e tenho certeza de que meu entendimento está incompleto, então pensei em tentar uma nova pergunta.

Os campos do estator e do rotor combinam-se para formar um campo geral girado, e alguns motores avançam o tempo de comutação para reduzir o arco do comutador. Aqui está uma ilustração deste artigo sobre sistemas elétricos submarinos :

A seção em que isso aparece está discutindo geradores; portanto, a seta denominada "rotação" é inversa se pensarmos nisso como um motor. Se fosse um motor, com as correntes e o campo desenhados, esperávamos que ele girasse na direção oposta, no sentido anti-horário.

Como no rótulo do ponto "novo plano neutro" o rotor não está passando por nenhuma linha magnética de força, não há tensão induzida; portanto, se a comutação for realizada aqui, haverá um mínimo de arco.

Mas, movendo o ponto de comutação, sacrificamos algum outro parâmetro? Reduzimos o torque? Eficiência? Ou esse é o ponto de comutação ideal em todos os aspectos?

Meu entendimento é que o motor deseja girar no sentido anti-horário, porque isso representa uma energia potencial mais baixa, torcendo o campo e alinhando os campos do estator e do rotor. Isso está correto?

Gira devido às forças que atuam ao redor do seu eixo de rotação. Essas forças criam torque que, por sua vez, cria aceleração angular do rotor.

Mas se movermos o ponto de comutação para lá, não rodamos o campo do estator, levando a um novo plano neutro? Se repetirmos esse ajuste, ele converge para um ponto de comutação ideal ou continuamos torcendo por todo o lugar? Esse ponto de comutação é ideal em todos os aspectos ou há alguns compromissos a serem feitos?

Por definição, sempre que você gira um dos campos, você tem um novo plano neutro. O ponto inteiro da comutação em um motor é manter o plano neutro no ângulo em que o torque é maximizado.

Eu sempre ouvi dizer que o tempo deve ser mais avançado a uma velocidade maior. Mas isso é estritamente verdadeiro ou é uma função da força da corrente / campo do enrolamento, que por acaso está correlacionada com a velocidade no caso de uma carga mecânica constante?

Eu acho que você está misturando dois efeitos aqui. Vamos considerar um motor sem escova. Dada uma corrente que flui através de seus enrolamentos, ela se estabelecerá em seu plano neutro. Neste ponto, o torque é zero (ignorando o atrito). Agora comece a girá-lo lentamente à mão e faça um gráfico do torque versus posição. O máximo desse gráfico é o seu ponto de comutação "velocidade lenta ideal". Você pode derivar uma aproximação muito próxima desse gráfico usando modelos matemáticos. Eu não chamaria isso de avançar o tempo. Dependendo do número de fases e pólos, estaria em algum ângulo fixo do plano neutro. Em um sistema sem escova de circuito fechado com um codificador de posição e sem sensores de efeito hall, você normalmente passaria por uma sequência em que você colocaria alguma corrente nos enrolamentos para descobrir a posição do plano neutro.

Em uma situação dinâmica, você deseja continuar girando o campo sob seu controle para manter a mesma fase versus os ímãs fixos. Devido à indutância e a vários efeitos não lineares, como saturação magnéticae temperatura, o tempo de controle precisa mudar em função da velocidade para tentar manter a mesma fase entre os campos. Basicamente, existe um atraso entre o momento em que um comando é fornecido e a alteração real no campo, de modo que o comando é fornecido anteriormente, "avançado", para compensar isso. Em um motor escovado, você pode ter apenas um avanço de fase fixo; portanto, você precisa fazer algum tipo de comprometimento se planeja operar em velocidades diferentes. Também existem comprometimentos estáticos nos motores escovados, por exemplo, o tamanho das escovas e a natureza liga / desliga do controle. Em algumas situações, esse atraso é insignificante de qualquer maneira.

Um driver BLDC sem sensor que detecta passagens de zero contra EMF para encontrar o ponto de comutação é um exemplo de um desses motores?

Eu acho que os cruzamentos de zero contra EMF são insuficientes. Eles refletem apenas o posicionamento "estático" descrito acima. Então você precisaria conhecer os parâmetros do motor também antes de otimizar seu controle (por exemplo, usando algo como controle orientado a campo )

Você está certo de que o ponto neutro é onde o ponto de ajuste do pincel seria localizado nominalmente. Enquanto o rotor está girando, os campos não se movem efetivamente (muito), pois o movimento do rotor fará com que o próximo conjunto de enrolamentos da armadura seja energizado. Assim, a imagem do campo em "C" estará apenas "oscilando" à medida que os diferentes enrolamentos da armadura se movem.

Para a produção máxima de torque, você deseja que o fluxo da armadura e os fluxos de campo estejam adequadamente alinhados e com "força total". (ignorar que torque é realmente a interação de uma corrente e um fluxo ...)

Observe que há uma constante de tempo para a corrente aumentar no enrolamento da armadura devido à resistência e indutância do enrolamento. Isso causa um atraso no fluxo / corrente da armadura. Se esse atraso não for compensado, a produção ideal de torque não será alcançada. O avanço do ângulo de comutação é uma maneira de resolver isso.

O ângulo de avanço "correto" depende da velocidade do rotor, da constante de tempo do circuito da armadura e do número de pólos da armadura. Como a constante de tempo da armadura é um tempo fixo, para velocidades mais rápidas do rotor, o ângulo de avanço precisa ser aumentado.

O plano neutro não depende da velocidade, apenas da corrente. O campo magnético do estator (horizontal na sua foto acima) e o campo magnético da armadura (vertical na sua foto acima) realmente não se "juntam", a menos que você pense em cada um dos campos como um vetor. Nesse caso, você poderá ver que o plano neutro pode se mover à medida que os dois campos mudam um em relação ao outro (por exemplo, se o campo magnético do estator permanecer o mesmo e o campo magnético da armadura aumentar ou diminuir, o plano neutro moverá). Por causa disso, você pode ver por que o plano neutro depende da corrente, não da velocidade. A corrente através do estator e / ou armadura (que depende da carga) determina a força dos campos magnéticos, que por sua vez determinam a localização do plano neutro.

As escovas podem ser deslocadas para alinhá-las com o plano neutro. Porém, considerando que a localização do plano neutro depende da carga, pode não haver uma posição ideal ("alinhada adequadamente") para trocar as escovas, porque a maioria dos aplicativos não possui um único ponto de carga. Também é importante ter em mente se o seu aplicativo requer rotação nas duas direções. Na minha experiência, a maioria dos projetistas de motores conta com uma combinação de experiências e experiências passadas para determinar o alinhamento adequado das escovas para uma determinada aplicação.