Многофазные синхронные электродвигатели

[Vladimir-80]

GorSMS в сообщении #1528803 писал(а):

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

Со времён паровых машин эта цель достигается простым массивным маховиком.

[GorSMS]

Уважаемые коллеги! Напомню вопрос, заданный в первом сообщении: "Почему число фаз в многофазных системах питания электрических машин обычно НЕЧЕТНОЕ"? Кто-нибудь может сказать что-то конкретное по этому поводу?
Маховики паровозов, (якобы) высокая точность позиционирования многополюсных шаговых электро-попрыгунчиков, и прочая байда, не имеющая к синхронным электромашинам прямого отношения, малоинтересна... Буду признателен, если мы ограничимся обсуждением исключительно электро-физических аспектов создания равномерно вращающегося магнитного поля неизменной величины.

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528859 писал(а):

"Почему число фаз в многофазных системах питания электрических машин обычно НЕЧЕТНОЕ"

В общем случае это неверно, а "обычно" машины или трёхфазные, или однофазные.

[GorSMS]

Если "обычно" - это машины, используемые в промышленных сетях, и в быту, то иного и быть не может - общегосударственные сети электропитания трехфазные, а бытовые - однофазные. Это объясняется многолетними традициями и экономически обосновано. Но в спецтехнике, автоматике, в науке не редко встречаются пятифазные машины. Встречал даже семи- и девятифазные приводы. А вот с четырех-, шести-, восьмифазными, и т.д., машинами не сталкивался. Отсюда и вопрос, есть ли преимущества (и какие) у нечетнофазных машин?

[realeugene]

Это какие-то очень специальные машины. Девять фаз получить из трёх, кажется, сильно проще, чем пять или семь. Возможно, в старинной литературе по их проектированию разъясняются тонкости. Но шестиполюсных трёхфазных машин всё-таки полно, а они от шестифазных отличаются только коммутацией обмоток.

[rascas]

GorSMS в сообщении #1528803 писал(а):

Интересуют исключительно синхронные электродвигатели, с питанием синусоидальным многофазным напряжением.

GorSMS в сообщении #1528811 писал(а):

в машине с возбуждением от постоянных магнитов (а маломощные синхронные машины строятся обычно на постоянных магнитах)

GorSMS в сообщении #1528817 писал(а):

говорим о прецизионной технике.

GorSMS в сообщении #1528859 писал(а):

ограничимся обсуждением исключительно электро-физических аспектов создания равномерно вращающегося магнитного поля неизменной величины.

Учитывая это, возможно, у этого типа двигателей всегда чётное количество обмоток на статоре. Т.е. на каждую фазу две одинаковые обмотки расположенные симметрично относительно оси двигателя.

Тогда нечётность фаз определяется топологией.

Возьмём число лучей,выходящих из одной точки, равное колличеству фаз. Расположим лучи симметрично на плоскости.Эти лучи являются осями обмоток двигателя. А так как каждая фазная обмотка должна иметь симметричную обмотку, то место для этой симметричной обмотки есть, только для случая нечётного количества фаз, (иначе будет наложение осей обмоток).

[GorSMS]

realeugene в сообщении #1528960 писал(а):

Это какие-то очень специальные машины. Девять фаз получить из трёх, кажется, сильно проще, чем пять или семь. Возможно, в старинной литературе по их проектированию разъясняются тонкости. Но шестиполюсных трёхфазных машин всё-таки полно, а они от шестифазных отличаются только коммутацией обмоток.

Да, это довольно специфическая техника, которая стала развиваться только с появлением интегральной электроники. Поэтому в старинной литературе мне не удается отыскать ничего интересного.
Еще раз прошу не трогать без явной необходимости вопросы генерации многофазного синуса - это просто для любого количества фаз.
Отличие шестиполюсных трехфазных машин от шестифазных не в способе коммутации обмоток, а в количестве фаз питающего напряжения, и самое главное - в углах сдвига фаз. Хотя чисто внешне у них большое сходство. Приведенный мной пример в первом сообщении как раз из той оперы - коммутируя восемь фазных обмоток последовательно-противофазно, мы (руководствуясь вашей логикой) преобразуем восьмифазную машину вроде бы в четырехфазную, но это не так - угол сдвига фаз тока в каждой из восьми обмоток остается равным 45 градусам, т.е. мы продолжаем питать все восемь фазных обмоток полноценным восьмифазным напряжением.

rascas в сообщении #1528968 писал(а):

... возможно, у этого типа двигателей всегда чётное количество обмоток на статоре. Т.е. на каждую фазу две одинаковые обмотки расположенные симметрично относительно оси двигателя.

Не всегда. Есть масса промышленных машин с несимметричным расположением фазных обмоток относительно оси. Кроме того, существуют линейные электромоторы, у которых число обмоток может быть вообще любым (в зависимости от длины хода "ротора"). Нередко даже закрывают глаза на возникающую при этом электромагнитную несимметричность.

Цитата:

Тогда нечётность фаз определяется топологией.

Читайте мой ответ чуть выше, в этом сообщении. Четность/нечетность фаз и их количество определяются не способом коммутации или топологии обмоток, а углом сдвига тока в этих обмотках.

Цитата:

... так как каждая фазная обмотка должна иметь симметричную обмотку, то место для этой симметричной обмотки есть, только для случая нечётного количества фаз, (иначе будет наложение осей обмоток).

Не должна обмотка быть симметричной. Может быть, а может и не быть. Это определяется количеством пар полюсов на ротора, и количеством зубцов статора. Мне доводилось делать мотор, у которого было 137 пар полюсов на внешнем роторе, и всего 21 фазная обмотка, состоящая из семи трехфазных групп.

Большинство рассуждений, которые озвучены выше участниками дискуссии, базируются на классическом подходе конструирования трехфазников. Все это очень подробно разжевано в ВУЗовских учебниках, от Вальдека до Кацмана, и иже с ними. Но к сожалению, в этих "старых книжках" мало вразумительного о многофазных (не трехфазных!) машинах.

[rascas]

GorSMS в сообщении #1528772 писал(а):

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 (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).
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?

Если я правильно понимаю у вас восемь обмоток идут равномерно через 45°. А это четыре прямые, проходящие, через оси обмоток. Т.о. вы предложили четырёхфазный двигатель со сдвигом фаз 45°.
Как вы его собираетесь запитывать? Восемью поводами (пара проводов на каждую пару соединённых обмоток)?
Или пятью проводами? Один общий и четыре фазных? (тогда эта схема не симметрична и по общему проводу потечёт большой ток)

В контрасте сравните пятифазную схему (сдвиг фаз 72°, соединение обмоток звезда). Те же пять проводов, но всё симметрично и фаз пять, а не четыре.
(Выше равномерность вращающегося магнитного поля)

Либо трёхфазный двигатель симметричные токи питания всего по трём проводам. (не неравномерность хуже)

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528970 писал(а):

Поэтому в старинной литературе мне не удается отыскать ничего интересного.

Тогда наверное нужно копать американские журналы, посвященные приводам. Видимо, при таком питании компенсируются старшие гармоники ошибки создаваемого магнитного поля по углу питающих электрических токов. Возможно, чётные гармоники этой ошибки и так слабы.

А калибровкой отдельных фаз в такой технике не занимаются?

-- 18.08.2021, 10:56 --

rascas в сообщении #1528976 писал(а):

тогда эта схема не симметрична и по общему проводу потечёт большой ток

С какой стати? В звезде общий провод компенсирует погрешности обмоток и питания. В идеале через него ток не течёт.

[GorSMS]

rascas в сообщении #1528976 писал(а):

Если я правильно понимаю у вас восемь обмоток идут равномерно через 45°. А это четыре прямые, проходящие, через оси обмоток. Т.о. вы предложили четырёхфазный двигатель со сдвигом фаз 45°.

Нет, я планирую сделать 32 группы по 8 фазных обмоток. Всего обмоток получается 256. А двигатель восьмифазный.

Цитата:

Как вы его собираетесь запитывать? Восемью поводами (пара проводов на каждую пару соединённых обмоток)?
Или пятью проводами? Один общий и четыре фазных? (тогда эта схема не симметрична и по общему проводу потечёт большой ток)

Здесь два вариант предусмотрено. Первый - каждая из восьмифазных групп запитывается двумя отдельными проводами, всего 16 проводов. Каждая группа питается от отдельного источника (фазного драйвера). Второй - группы коммутируются так, как описано во втором моем сообщении, т.е. 8 проводов от первых четырех фаз. Экономически это выгоднее: несколько упрощается программный код многофазного ШИМ-генератора фаз, и вдвое сокращается число драйверов, питающих машину. Минус второго варианта я уже озвучил: придется поднимать (удваивать) напряжение питания. Но при требуемых мощностях это не принципиально.
Окончательный вариант будет выбран после проведения макетных экспериментов. Но фактическое число рабочих фаз и в первом, и во втором случае равно восьми. Правда во втором варианте 5-8 фазы "виртуальные", они образуются за счет инверсии тока в этих обмотках относительно первых четырех фаз. Симметричность токов одинакова в обоих вариантах питания, она определяется исключительно импедансами обмоток. Расчетное оммическое сопротивление каждой группы всего 5,6 Ом. Индуктивное сопротивление пока не могу посчитать, так как не владею методикой расчета планарных индуктивностей.

Цитата:

В контрасте сравните пятифазную схему (сдвиг фаз 72°, соединение обмоток звезда). Те же пять проводов, но всё симметрично и фаз пять, а не четыре. (Выше равномерность вращающегося магнитного поля)

Равномерность "хода" увеличивается на за счет числа проводов питания, а за счет уменьшения угла сдвига смежных фаз. У вас - 72°, у меня (в обоих случаях) - 45°.

realeugene в сообщении #1528977 писал(а):

Тогда наверное нужно копать американские журналы, посвященные приводам.

Скорее уж японские. Они больше занимались подобными приводами. Хотя, чаще всего, японцы все свои работы дублируют и в штатах.

Цитата:

А калибровкой отдельных фаз в такой технике не занимаются?

На этот вопрос ответить не могу.

[Emergency]

Непонятно зачем нужно много фаз если можно сделать много полюсов. Многополюсник выгоднее многофазника, так как обеспечивает больший момент при прочих равных. Зачем нагружать много обмоток частью тока если можно включать их на полный ток?

[realeugene]

Emergency в сообщении #1528989 писал(а):

Непонятно зачем нужно много фаз если можно сделать много полюсов. Многополюсник выгоднее многофазника, так как обеспечивает больший момент при прочих равных. Зачем нагружать много обмоток частью тока если можно включать их на полный ток?

Шаговый двигатель дребезжит и на постоянной скорости с микрошагом. Очевидно, сложно сделать малую погрешность магнитного поля когда полюса плотно расположены.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1528991 писал(а):

Шаговый двигатель дребезжит и на постоянной скорости с микрошагом.

Возможно это происходит потому что обмотки подключаются в ключевом режиме. Наверное можно рассчитать форму тока так, чтобы сила действующая на ротор была постоянной.

[realeugene]

GorSMS в сообщении #1528987 писал(а):

Индуктивное сопротивление пока не могу посчитать, так как не владею методикой расчета планарных индуктивностей.

Вам нужно в первую очередь считать магнитную систему. Магнитный поток замыкается через магнитопровод с тонким зазором. От формы магнитопровода и положения ротора в зазоре зависит почти всё. Это всё вроде бы считается численно, в Comsol есть примеры. И сильные шаговики даже разбирать нельзя: ротор размагничивается.

-- 18.08.2021, 14:45 --

Emergency в сообщении #1528997 писал(а):

Возможно это происходит потому что обмотки подключаются в ключевом режиме.

Не, частота ШИМ там гораздо выше, индуктивности обмоток хватает для фильтрации.

-- 18.08.2021, 14:49 --

Emergency в сообщении #1528997 писал(а):

Наверное можно рассчитать форму тока так, чтобы сила действующая на ротор была постоянной.

Меандр - это напряжение, ток - синусоида с небольшой пилой на частоте ШИМ, конечно. Драйвера для шаговиков с микрошагом управляют именно током обмоток.

Впрочем, в принтерах шаговики часто не особо шумят.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1528998 писал(а):

Не, частота ШИМ там гораздо выше, индуктивности обмоток хватает для фильтрации.

ШИМ для регулировки момента? Я думал, что шаговые двигатели позволяют менять частоту.