1. Как генерируется обратная ЭДС?

Для синхронного двигателя с постоянными магнитами его катушка закреплена на статоре (проводник), а постоянный магнит закреплен на роторе (магнитное поле). Когда ротор вращается, магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом на роторе, будет вращаться и разрезаться катушкой на статоре, создавая обратную ЭДС в катушке. Почему это называется обратной ЭДС? Как следует из названия, направление обратной ЭДС E противоположно направлению напряжения на клеммах U (как показано на рисунке 1).

Рисунок 1

2. Какова связь между обратной ЭДС и напряжением на клеммах?

Из рисунка 1 видно, что соотношение между противо-ЭДС и напряжением на клеммах под нагрузкой имеет вид:

Для испытания обратной ЭДС, как правило, оно проводится в состоянии без нагрузки, без тока и при скорости 1000 об/мин. Обычно определяется значение 1000 об/мин, а коэффициент обратной ЭДС = средняя обратная ЭДС/скорость. Коэффициент обратной ЭДС является относительно важным параметром двигателя. Здесь следует отметить, что обратная ЭДС под нагрузкой постоянно меняется, прежде чем скорость станет стабильной.

Из формулы (1) видно, что обратная ЭДС под нагрузкой меньше напряжения на клеммах. Если обратная ЭДС больше напряжения на клеммах, то он становится генератором и выдает напряжение наружу. Поскольку сопротивление и ток в реальной работе малы, то величина обратной ЭДС примерно равна напряжению на клеммах и ограничивается номинальным значением напряжения на клеммах.

3. Физический смысл обратной ЭДС

Представьте, что бы произошло, если бы обратной ЭДС не существовало? Из уравнения (1) мы видим, что без обратной ЭДС весь двигатель эквивалентен чистому резистору, который становится устройством, генерирующим особенно сильное тепло. Это противоречит преобразованию электрической энергии в механическую в двигателе.

В уравнении преобразования электрической энергии: UIt = _EIt + ^I²Rt

UIt — это входная электрическая энергия, например, энергия, поступающая в батарею, двигатель или трансформатор; I²Rt ^— это энергия тепловых потерь в каждой цепи, которая является своего рода энергией тепловых потерь, чем меньше, тем лучше; разница между входной электрической энергией и энергией тепловых потерь — это часть полезной энергии E_反It, соответствующая противо-ЭДС. Другими словами, противо-ЭДС используется для генерации полезной энергии и обратно пропорциональна тепловым потерям. Чем больше энергия тепловых потерь, тем меньше достижимая полезная энергия.

Объективно говоря, обратная ЭДС потребляет электрическую энергию в цепи, но это не «потери». Часть электрической энергии, соответствующая обратной ЭДС, будет преобразована в полезную энергию для электрооборудования, например, в механическую энергию двигателя и химическую энергию аккумулятора.

Из этого следует, что величина противоэлектродвижущей силы означает способность электрооборудования преобразовывать суммарную входную энергию в полезную энергию, что отражает уровень преобразовательной способности электрооборудования.

4. От чего зависит величина обратной ЭДС?

Сначала дана формула расчета обратной ЭДС:

E — электродвижущая сила катушки, ψ — поток, f — частота, N — число витков, Φ — магнитный поток.

Согласно приведенной выше формуле, мы можем узнать факторы, влияющие на величину обратной ЭДС:

(1) Противо-ЭДС равна скорости изменения потока. Чем выше скорость, тем больше скорость изменения и тем больше противо-ЭДС;

(2) Сам поток равен числу витков, умноженному на одновитковый поток. Поэтому, чем больше число витков, тем больше поток и тем больше обратная ЭДС;

(3) Количество витков связано со схемой намотки, например, соединением «звезда-треугольник», количеством витков на паз, количеством фаз, количеством зубцов, количеством параллельных ветвей и схемой полного или короткого шага;

(4) Одновитковый поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление. Поэтому, чем больше магнитодвижущая сила, тем меньше магнитное сопротивление в направлении потока и тем больше обратная ЭДС;

(5) Магнитное сопротивление связано с воздушным зазором и координацией полюс-паз. Чем больше воздушный зазор, тем больше магнитное сопротивление и меньше обратная ЭДС. Координация полюс-паз более сложна и требует детального анализа;

(6) Магнитодвижущая сила связана с остаточным магнетизмом магнита и эффективной площадью магнита. Чем больше остаточный магнетизм, тем выше обратная ЭДС. Эффективная площадь связана с направлением намагничивания, размером и размещением магнита и требует специального анализа;

(7) Остаточная намагниченность также связана с температурой. Чем выше температура, тем меньше обратная ЭДС

Подводя итог, можно сказать, что на обратную ЭДС влияют следующие факторы: скорость, количество витков на паз, количество фаз, количество параллельных ветвей, полный и короткий зазор, магнитная цепь двигателя, длина воздушного зазора, согласование полюсов и пазов, остаточная намагниченность магнита, размещение и размер магнита, направление намагничивания и температура.

5. Как выбрать обратную ЭДС при проектировании двигателя?

В конструкции двигателя очень важна обратная ЭДС E. Если обратная ЭДС хорошо спроектирована (соответствующий размер и низкий уровень искажения формы волны), двигатель хорош.

Обратная ЭДС оказывает на двигатель несколько основных эффектов:

1. Противо-ЭДС определяет слабую магнитную точку двигателя, а слабая магнитная точка определяет распределение карты КПД двигателя.

2. Степень искажения формы волны обратной ЭДС влияет на пульсацию крутящего момента двигателя и плавность выходного крутящего момента при работе двигателя.

3. Величина противо-ЭДС напрямую определяет коэффициент крутящего момента двигателя, а коэффициент противо-ЭДС пропорционален коэффициенту крутящего момента. Из этого можно вывести следующие противоречия в конструкции двигателя:

а) Если обратная ЭДС велика, двигатель может поддерживать высокий крутящий момент при предельном токе контроллера в области работы на низкой скорости, но он не может выдавать крутящий момент на высокой скорости и даже не может достичь ожидаемой скорости;

б) Если обратная ЭДС мала, двигатель все еще имеет выходную мощность в области высоких скоростей, но крутящий момент не может быть достигнут при том же токе контроллера на низкой скорости.

Таким образом, конструкция размера обратной ЭДС зависит от фактических потребностей двигателя. Например, при проектировании небольшого двигателя, если требуется выдавать достаточный крутящий момент на низкой скорости, обратная ЭДС должна быть спроектирована большей.