Kąt elektryczny a mechaniczny w silniku BLDC

[slawek7]

Cześć

Umiecie tak na chłopski rozum wytłumaczyć mi co to dokładnie jest ten kąt elektryczny w silniku i czym rożni się od mechanicznego?

Oraz jak się ma to do lokalizacji czujników Halla w silniku BLDC?

[Luuke]

Kąt elektryczny dotyczy wirującego pola magnetycznego, a kąt mechaniczny wirnika. Silniki BLDC często mają zwielokrotnioną ilość biegunów magnetycznych - krotność k. Wirnik podąża za wirującym polem magnetycznym, ale niekoniecznie kąt obrotu musi być w stosunku 1:1. Dla przykładu jeśli krotność k = 4 to 1 obrót elektryczny  pola magnetycznego spowoduje tylko 1/4 obrotu mechanicznego wirnika. Należy pamiętać, że zwiększenie krotności uzwojenia to nie to samo co zmiana ilości faz w silniku.

[marek1707]

Inaczej mówiąc, to co wysyłasz do silnika jest jakims przebiegiem okresowym. Np. w najprostszym schemacie sterowania fazami silnika BLDC masz 6 komutacji skłądających się na jeden okres. Sterownik robi je po kolei a potem wraca do sytuacji początkowej i zaczyna się powtarzać. To jest całe 360° z punktu widzenia sygnału zasilającego uzwojenia, a poszczególne komutacje zachodziły oczywiście co 60°, czyli co zmianę stanu jednego z 3 czujników (jeżeli je masz w silniku). Ale nie widząc prawdziwego silnika nie wiesz o ile w czasie tych "elektrycznych" 360° obrócił się wał, bo to wynika z konstrukcji uzwojeń stojana i sposobu rozmieszczenia magnesów stałych na wirniku. Współczynnik ten może wynosisć 2, 3, 4 itd. Np. wielkość 4 oznacza, że na każdy pełny cykl sterowania ("elektryczne 360°) wirnik wykona tylko 90° obrotu mechanicznego, bo tak został zrobiony.

[slawek7]

Nie rozumiem jeszcze jednej sprawy. Czy ilość par biegunów w stojanie musi być identyczna z wirnikiem. Z obserwacji widze że nie, choć trochę mi się to kłóci z podejściem logicznym.

Mam taki silnik BLDC który ma 4 bieguny (dwie pary) na wirniku a w stojanie uzwojenie tworzy jedna parę biegunów. w załączeniu odręczny rysunek tego stojana.

Te kółka to żłóbki a linie to poszczególne uzwojenia faz.

Całe moje niezrozumienie tego polega na tym że jak w stojanie jest jedna para biegunów i w wirniku tez jest jedna para to przypomina mi to maszynę synchroniczną AC. A jak jest rżna ilośc par biegunów to nie potrafię sobie wyobrazić które pole podąża za którym?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Hm, to będzie trudno wytłumaczyć tekstem. Mam dwa pomysły. Pierwszy to zanurzyć się w dawnym forum modelarskim Alexa. Obecne pfmrc.eu funkcjonowało kiedyś jako alexrc.pl. Dziś echa tamtej działalności sa zarchiwizowane, ale wciąż dostępne. A piszę o tym, bo było to miejsce gdzie wystartował spory projekt grupowy samodzielnego produkowania silników BLDC. Były to czasy, gdy napędy tego typu były absolutną nowością, w Polsce praktycznie nie do dostania a w zagranicznych sklepach internetowych (tak na dalekim wschodzie jak i zachodzie) kosztowały krocie. Modele latały na szczotkach z przekładniami (tak, tak) albo na małych, nieefektywnych śmigiełkach wysokoobrotowych. BLDC i regulatory do nich zaczęły być na świecie dostępne no i jakoś tak zgadało się, aby opracować trochę teorii, sposobów przezwajania i zacząć robić te cacka z wykorzystaniem "hardware'u" z napędów CD-ROM. Małe modele zupełnie spokojnie mogły na tym latać a w zamian za godzinę czytania i kolejne kilka demontażu i nawijania nowych uzwojeń dostawałeś silnik o sprawności 80+ zamiast 40% i gęstości mocy (waty na gram masy) nieporównywalnej z powszechnymi wtedy szczotkowcami DC. Także proponuję zajrzeć tu:

https://www.alexrc.pl/viewforum.php?f=2

http://www.alexrc.pl/old_files/page3.html

Albo pójść na skróty i skorzystać z kalkulatora. Akurat w tym możesz dośc dowolnie ustawiać liczbę biegunów statora i wirnika a do tego program generuje obrazek struktury silnika przy założeniu połączeń w trójkąt lub (popularniejszą) gwiazdę:

https://www.bavaria-direct.co.za/scheme/calculator/

Jak zapewne się domyślasz liczba biegunów jednego nie musi być całkowitą wielokrotnością drugiego a raczej będzie to jakiś stosunek liczb całkowitych. Liczba biegunów stojana (tego z uzwojeniami) musi być z oczywistych powodów podzielna przez trzy a liczba biegunów wirnika (tego z magnesami stałymi) musi być wielokrotnością 2. Czasem wpisana kombinacja nie jest zbyt szczęśliwa i wtedy dostajesz ostrzeżenie - taki silnik nie będzie działał. Możesz zacząć od kanonicznego 3/2, spróbować z 12/8 i zobaczyć co się stanie gdy dasz np. 12/6. Zapuszczasz więc wodze fantazji i wymyślasz jak to działa 🙂 Hint: Warto zajrzeć do opcji "Advanced". "Cogging steps" to oczywiście komutacje faz kontrolera. Ich 6 to pełny "obrót" czyli 360° pola. Np. silnik 48/28 będzie kręcił się aż 336/6=56 razy wolniej niż prąd go zasilający. Niektóre silniki mają między uzwojeniami "pusty" nabiegunnik, wtedy ustawiasz w kalkulatorze "1-layer":

Wskazówka: magnesy w wirniku nie generują pola "na przestrzał" przechodzącego przez oś, tylko są rozmieszczone na obwodzie i będa podjeżdżać do najbliższej pary nabiegunników stojana, która w danej chwili najbardziej im pasuje magnetycznie. Texas kiedyś zrobił taki dwuodcinkowy film. Pierwsza część to raczej nuda, ale w drugiej już coś widać:

Obejrzyj, pokombinuj z kalkulatorem, przemyśl sprawę i daj znać jak poszło. 

[slawek7]

A więc rozkminy ciąg dalszy. Poszukiwania informacji doprowadziły mnie do takiej informacji, że budując silnik taki jak pokazał marek powyżej liczba pół na wirniku i liczba zębów na statorze nie może być sobie równa. Stosunek ich ma wpływ na moment, prędkość silnika.  I tak w sumie te silniki są dośc proste w zrozumieniu tym bardziej że cała zasada działania opiera się o oddziaływanie pól magnetycznych "zębów" na statorze i magnesów na wirniku.

Niemniej chciałbym powrócić do silnika, którego budowa przypomina typową maszynę synchroniczną. Mam taki silnik jak w załączniku. Uzwojenie jak w typowym silniku indukcyjnym lub właśnie synchronicznym AC. Ale... ten silnik ma na wirniku dwie pary biegunów, natomiast rozpatrując jak nawinięte io połączone są uzwojenia na stojanie widać typowe uzwojenie z jedną parą biegunów. Na zdjęciu widać też czujniki HALLa. Pytania mam takie, bo nie mogę tego zrozumieć:

1. Dlaczego czujniki nie sa umieszczone w osi cewki danej fazy. Na jedna fazę przypada 3 żłobki, a czujnik na fazie jest przy skrajnym żłobku.

2. Jak wpływa umieszczenie czujnika HALLa na działanie silnika. Zakładając że sa one rozmieszczone co 120st to zostaje jeszcze umieszczenie ich względem uzwojenia. Bo ja się domyślam że jak komutacja będzie z złym momencie to teki silnik będzie miał problem z prawidłową pracą.

3. Jest jakaś metoda dzieki której lokalizuje się czujniki, ale w takich silnikach jak ja pokazuję. Bo doczytałem że w silniku pokazanym przez marka z racji troche innej pracy jest to łatwiejsze, bo pierwszy czujnik można umieścić w miarę dowolnie, a pozostałe da się wyliczyć. tu jest fajnie opisane jak to można zrobić

http://mitrocketscience.blogspot.com/2011/08/hall-effect-sensor-placement-for.html

 

4. W moim silniku wg mnie powstaje pole, może nie tyle co wirujące bo przełączanie jest skokowe, co na pewno jest jeden wektor N-S który obraca się dookoła. Ale wirnik ma 2 pary biegunów. Jak to się ma do siebie. Z tego co wiem typowy sinik synchroniczny prądu przemiennego przy różnych parach biegunów magnetycznych nie ma prawa działać. Tam liczba par biegunów na stojanie i wirniku musi się zgadzać.

 

Narysowałem taki poglądowy rysunek tego silnika aby łatwiej wytłumaczyć o co mi chodzi.

 

[marek1707]

Moim zdaniem nie ma tu żadnej magii. Zacznij od tego, że do wspomnianego kalkulatora wpisz wartości 12, 4, 2 layer. Czyż nie dostałeś modelu tego, co masz na zdjęciu? Małe "+" i "-" wewnątrz drutów oznaczają kierunek płynięcia prądu a może bardziej.. hm, sposób nawinięcia uzwojeń: przykładowo drut czerwony "idzie w naszą stronę" gdzie ma plus i "wraca za ekran" gdzie ma minus. To samo z pozostałymi dwoma kolorami/fazami uzwojeń.Taki silnik ma cogging steps = 12 co oznacza, że kręci sie dwa razy wolniej niż pokazałeś na swoim schemacie. Zamiast 6 wycinków i skoków wektora pola o 60° powinieneś narysować 12 sektorów i skoki co 30°. Dlaczego? Właśnie dlatego, że na wirniku nie masz jednego magnesu z dwoma biegunami tylko dwie pary z czterema a specyficzny sposób nawinięcia uzwojeń powoduje, że tak "umagnesowiony" wirnik nie będzie przeskakiwał za każdą komutacją aż o 60°, bo już za 30° czeka go "bardziej pociągające" pole ortogonalnej pary jego magnesów. Spróbuj może np. wyciąć sobie z papieru wirnik z zaznaczonymi biegunami N/S/N/S i poobracać go w polu narysowanego i 6-krokowo komutowanego stojana 🙂 

A czujniki? Muszą ślepemu wskazać drogę, bo stanowią jedyny system odniesienia dla kontrolera. Ten musi zrobić komutację wtedy gdy "elektrycznie" wirnik obróci się o każde 60°. To oznacza, że odległość "elektryczna" czujników musi wynosić dokładnie 120°. Na razie pomijamy fazę czyli wspólny offset względem uzwojeń. Te 120° w skrajnym przypadku, dla silnika np. 48/28 oznacza, że hallotrony musiałyby być rozmieszczone obok siebie co ok. 360°/56/3= 2.14° bo tyle zajmuje wirnikowi 1/3 pełnego kąta "elektrycznego" w tym silniku. Oczywiście nie trzeba ich mechanicznie upychać tuż obok siebie, bo ta sama sytuacja powtarza się co 360°/56=6.43° więc można je rozsunąć by montaż był wygodniejszy i poprzyklejać je tak, by dla niewprawnego oka były co jakieś 120°. W tym konkretnym przypadku czujniki musiałyby być wstawione bardzo precyzyjnie, bo przy "pełnej skali" 6.43°, już odchyłka o 0.1° byłaby wyczuwalna w sprawności i kulturze pracy silnika. Widać od razu, że silniki mające podział przez 2 , 3 czy 4 są dużo mniej kłopotliwe w umieszczaniu czujników i kosmiczne precyzje nie są w nich konieczne.

A jeśli nie wiesz gdzie konkretnie umieścić czujniki (i nie umiesz tego zamodelować i policzyć - ja na pewno nie umiem), to wystarczy wstawić jeden hallotron i zakręcić silnik palcem. Przebieg back-EMF (jej przejście przez zero) na oscyloskopie pokaże idealny punkt komutacji dla wolnych obrotów. Przesuwasz zatem czujnik w przód/tył tak by pokryć fazy obu sygnałów i tyle. Oczywiście pozostałe czujniki muszą być (wciąż "elektrycznie") dalej co 120°. I tak chcąc zachować wysoką sprawność, maksymalny moment, dynamikę i kulturę pracy (hałas) danego silnika w szerokim zakresie prędkości, kontroler będzie musiał dobierać i przesuwać punkt rzeczywistej komutacji faz na podstawie jakiejś tablicy lub wzoru wiążącego wyprzedzenie z prędkością obrotową. Właśnie taki programowany parametr (np. wyprzedzenie agresywne, normalne, delikatne) ma większość kontrolerów uniwersalnych, które w po wyjściu z fabryki nie wiedzą do jakiego silnika ktoś je podłączy.

[slawek7]

Teraz w końcu zajarzyłem. Moja niewiedza usiłowała mi wmówić że pole od jednej fazy z dwóch cewek się dodaje, a tu widać że nie, i dzięki temu to ma prawo działać, teraz to widać.

Pewnie z tego samego powodu raczej mało możliwe jest wytworzenie pola sinusoidalnego jak w silniku prądu zmiennego i pewnie z tego samego powodu zasilanie silnika BLDC sinusem to karkołomne zadanie. Tylko teraz pisząc to jedno mnie zastanawia, dlaczego w opisach silników BLDC  i ich sterowaniu pokazuje się wektor pola skierowany w jednym kierunku skoro w rzeczywistym silniku one są przeciwnie skierowane? A z drugiej strony zasila sie silniki sinusem i działa

[slawek7]

Przyznaję, mój błąd! Ten sposób nawinięcia jest prawidłowy dla silników w większą ilością par biegunów! Ie wiedziałem wcześniej tego.