Многофазные синхронные электродвигатели

[GorSMS]

Почему многофазные цепи питания электродвигателей обычно делают с нечетным числом фаз (3-х, 5-ти, и т.д.)? Не встречал подобных систем с четным числом фаз (кроме двух-фазных).
Собственно, хотел задать только один этот вопрос, но тема довольно интересна в прикладном плане "вообще", поэтому с удовольствием выслушаю мнения оппонентов и по смежным вопросам:
К примеру, будет ли иметь преимущество (в чем-либо) допустим, восьми-фазный синхронный электромотор по сравнением с классическим трех-фазником, при прочих равных условиях?
Можно ли считать таким восьми-фазным электромотором двигатель с восемью обмотками статора, при условии их коммутации по схеме:
1) Начало первой обмотки, конец первой обмотки-конец пятой обмотки, начало пятой обмотки.
1) Начало второй обмотки, конец второй обмотки-конец шестой обмотки, начало шестой обмотки.
1) Начало третьей обмотки, конец третьей обмотки-конец седьмой обмотки, начало седьмой обмотки.
1) Начало четвертой обмотки, конец четвертой обмотки-конец восьмой обмотки, начало восьмой обмотки.
Такое упрощение возникает из сдвига фаз восьмифазной сети (45 градусов), при котором пятая, шестая, седьмая и восьмая фазы сдвинуты относительно первой, второй, третьей и четвертой фазы на 180 градусов. Скоммутировав обмотки показанным выше образом (последовательно-противофазно) можно упростить схему генератора, реализовав генерацию только первых четырех фаз, но увеличив в два раза выходное напряжение каждой фазы.
Правильны ли мои рассуждения, и не допускаю ли я какой-то дилетантской ошибки?

[GorSMS]

Упс... Извините, допустил неточность. Подразумевается такая нумерация коммутации обмоток: 1), 2), 3) 4).
1) Начало первой обмотки, конец первой обмотки-конец пятой обмотки, начало пятой обмотки (конец первой "комбинированной" обмотки).
2) Начало второй обмотки, конец второй обмотки-конец шестой обмотки, начало шестой обмотки (конец второй "комбинированной" обмотки).
3) Начало третьей обмотки, конец третьей обмотки-конец седьмой обмотки, начало седьмой обмотки (конец третьей "комбинированной" обмотки).
4) Начало четвертой обмотки, конец четвертой обмотки-конец восьмой обмотки, начало восьмой обмотки (конец четвертой "комбинированной" обмотки).

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528772 писал(а):

Не встречал подобных систем с четным числом фаз (кроме двух-фазных).

Асинхронников таких полно. На 1800 (1500) RPM. Для коммутатора наверное лучше чтобы контакты были несимметричными и переключались не одновременно.

[GorSMS]

Интересуют исключительно синхронные электродвигатели, с питанием синусоидальным многофазным напряжением. В рассматриваемом примере - восьмифазный вариант. Кстати, а где вы встречали многофазные (с числом фаз более трех) асинхронные машины?
Вопрос генерации "многосинуса" оставим за кадром - решается тривиально с помощью простейшего микроконтроллера и ШИМ.
Так как рабочее напряжение и подводимая к электромашине мощность не велики (12...18 вольт, 30...40 Вт), то в качестве фазных драйверов вполне можно применить обычные интегральные УНЧ класса D, благо таких не мало. Бонус - простота регулировки крутящего момента на валу с помощью штатного регулятора громкости.

Конечная цель: получить максимальную плавность хода на сверхнизких оборотах в диапазоне 0,1...2,0 об/сек.

[Emergency]

Для получения равномерно вращающегося магнитного поля достаточно трехфазной обмотки на статоре. Плавность хода ротора будет определяться стабильностью его нагрузки. При нестабильной нагрузке придется изворачиваться.

[GorSMS]

Emergency в сообщении #1528807 писал(а):

Для получения равномерно вращающегося магнитного поля достаточно трехфазной обмотки на статоре.

Это далеко не так. Мало получить равномерную угловую скорость магнитного поля в статоре, необходимо добиться и стабильного значения МДС в любой фазе поворота этого поля.
Пульсации вектора МДС в трехфазном статоре достигают 5% от максимального значения (точную цифру не помню, а считать лень). Для сравнения - в восьмифазном статоре эта величина изменяется всего на 1,4% (рассчитывал буквально вчера). И это данные для нулевой нагрузки на валу двигателя. Под реальной нагрузкой нестабильности растут в разы.
К этому нужно добавить нестабильность, возникающую из-за реакции магнитных потоков в системе статор-ротор в машине с возбуждением от постоянных магнитов (а маломощные синхронные машины строятся обычно на постоянных магнитах), от разрядности ШИМ генератора фазных напряжений, от неточности изготовления механических и электрических компонентов двигателя, и т.д.

Что касается неравномерности нагрузки, то тут все просто. Если нагрузка не превышает максимально допустимую, при которой происходит срыв синхронизации (опрокидывание), то нестабильность фазы угла поворота вала ротора не может превышать 1/2 углового деления.

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528811 писал(а):

Пульсации вектора МДС в трехфазном статоре достигают 5%

Вы фазы по внешнему питанию считаете? Какая разница, какое количество фаз? Высшие угловые гармоники зависят только от количества полюсов и от их геометрии. Но если бы всё решалось только количеством полюсов, то шаговый двигатель работал бы идеально и бесшумно.

[GorSMS]

Шаговый двигатель (обычно двух- или четырех-фазный, в зависимости от схемы коммутации обмоток) по определению не может работать "идеально и бесшумно". Возьмите в руки любой такой моторчик, и покрутите вал. Почувствуете реакцию мотора. Кроме того, даже в микрошаговых режимах ротор "скачет" из одного положения в другое, а не перемещается плавно, и с равной угловой скоростью.
При увеличении числа фаз сети питания синхронной машины улучшается стабильность суммирующего вектора МДС, о чем я написал выше. Это непреложный факт, спорить с которым бессмысленно. Постройте графики векторов МДС для трех-фазного статора и для статора с бОльшим числом фаз, и сами убедитесь в этом. Увеличение числа зубцов статора и пар полюсов ротора добавляют стабильности вращения, и это тоже факт.

Однако вопрос о том, почему обычно делают нечетное количество фаз питания электрических машин остается актуальным.

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528814 писал(а):

Возьмите в руки любой такой моторчик, и покрутите вал. Почувствуете реакцию мотора.

Разумеется, в любом электромоторе есть остаточная намагниченность железа, которая будет "цеплять" ротор с постоянными магнитами при попытке его провернуть рукой.

-- 16.08.2021, 13:28 --

GorSMS в сообщении #1528814 писал(а):

Увеличение числа зубцов статора и пар полюсов ротора добавляют стабильности вращения, и это тоже факт.

Дешевый шаговый двигатель - контрпример.

[GorSMS]

realeugene в сообщении #1528815 писал(а):

... в любом электромоторе есть остаточная намагниченность железа, которая будет "цеплять" ротор с постоянными магнитами...

И снова вы ошибаетесь. Здесь дело не в остаточной намагниченности железа, а в том, что магнитные силовые линии ротора с постоянными магнитами стремятся замкнуться по путям с наименьшем магнитным сопротивлением. Такими путями являются зубцы ротора, вот за них-то и "цепляются" магнитные потоки ротора. Но существуют так называемые беззубцовые конструкции статора, в которых фазные обмотки намотаны не на магнитопроводах, которых вообще нет. Правда, эффективность таких моторов существенно ниже, но в ряде специальных задач и не требуется получать на валу большой крутящий момент. Здесь на первом плане стоит требование максимальной плавности хода при минимуме вибраций/детонаций. Например - в приводах следящих оптических устройств.

Цитата:

Дешевый шаговый двигатель - контрпример.

Контрпример чему? Мы (в данном случае - я) говорим о прецизионной технике. Каким примером здесь может быть дешевый шаговый двигатель?

Вы можете сказать что-то конкретное по вопросу, который меня интересует?

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528817 писал(а):

Мы (в данном случае - я) говорим о прецизионной технике.

Ну так с этого и начинайте. Мол, у конкурентов стоят такие вот двигатели и такие и такие вот параметры, нужно изобрести прецезионный двигатель чтобы было лучше и проще. А шаговый двигатель вполне пока всё ещё попадает под ваше определение, тем более, что с микрошагом он используется и для достаточно прецезионных перемещений. Про тонкости конструкции прецезионных двигателей я вам сказать ничего не могу. Удачи!

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528817 писал(а):

И снова вы ошибаетесь. Здесь дело не в остаточной намагниченности железа, а в том, что магнитные силовые линии ротора с постоянными магнитами стремятся замкнуться по путям с наименьшем магнитным сопротивлением.

И, кстати, у 200-полюсного шаговика при ручном провороте всего 50 скачков. Лучше теорию почитайте.
У шаговика на 200 шагов.

[Emergency]

GorSMS в сообщении #1528811 писал(а):

Emergency в сообщении #1528807 писал(а):

Для получения равномерно вращающегося магнитного поля достаточно трехфазной обмотки на статоре.

Это далеко не так...

Вообще-то это так. Не так это в частных случаях.

[realeugene]

Всё упирается в меру этой неравномерности. В любом случае, сделать прецезионую силовую магнитную систему, да ещё без гистерезиса, довольно сложно, как мне кажется. Традиционно в ЧПУ сажают на вал энкодер положения вала, который легче сделать более точным. И замыкают контур обратной связи по положению.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1528839 писал(а):

Традиционно в ЧПУ сажают на вал энкодер положения вала, который легче сделать более точным. И замыкают контур обратной связи по положению.

Да. И тогда проблема сводится к числу импульсов на оборот энкодера и времени обратной связи. Благодаря развитию процессоров (росту частоты и снижению скорости) копеечный сканер обеспечивает характеристики устройств, которые 30 лет назад стоили в 100 раз дороже.