在了解弗来明左手定则前,更应该佩服一下罗伦兹力的发现,罗伦兹力定义了电能与磁能中力量产生的规则及原因。在电力学,罗伦兹力(Lorentz force)是运动于电磁场的带电粒子所感受到的作用力,罗伦兹力是因荷兰物理学者亨德里克·罗伦兹而命名
而弗来明左手定则只是用来说明电能、磁能及力量间的作用方向,它们之间呈现90度的正交角;补足了罗伦兹力所欠缺的一环。由向量的基本概念来看,完整地描述一个力量的作用,需要有力量大小的信息,同时亦需具备有方向信息,才是一个明确的作用力,因此罗伦兹力及弗来明左手定则帮助我们理解了电机中力量的表示。
将电机中的力量表示为数学式如下:
可发觉到其中有个Sin(δ)的式子,它就是用来定义电能与磁能是否90度正交的数学式。弗来明左手定则告诉我们,电机中的电能、磁能及力量间都是呈现90度正交角的交互作用,而一但电能与磁场不是90度时,则它们之间的关系就是正弦波Sin(δ)。
这正弦波关系也告诉我们另一件是,非90度的正交电机也会受力作用,但力度不是最大。 我们要先深究一下为什么90度正交角在电机中是个怎样的位置,要知道电机中的角度表示,其实是采用电气角,而非我们熟知的机械角,它们之间的换算公式如下:
其中Θe为电气角度,Nm为磁场极数,Θm为机械角度。它们之间主要差了一个极性的倍数关系的,也就是1组NS极就是360度。其基本规格就可以用地球做完参考,我们知道地球有南北两极且具有磁性,分別为N极与S极,而且地球是一个圆,因此有360度的角度。但在电机中,可能不仅仅有一组NS极,因此每一组的NS极,都要代表360度才符合我们印象中的地球状态;电机中特別把这360度取名为电气角度,而非我们日常看到的一个圆的360度机械角。
由此可知,其实一个磁极包括了180度的电气角,而弗来明左手定则告知我们最大的作用力是在90度角的正交处,其实也就是磁极的正中心,本来就是磁力最强最集中之处,为了得到最大的力作用,选在磁场最强之处作用,当然得到最大力量,这点是十分合情合理的。而且这还進一步的定义了电机控制中常用的dq軸表示方式,即为磁力最强与最弱之处。
结论电机的驱动若想达到最大转矩输出,则要抓准Sin(δ)最大之处,也就是90度的正交角来驱动电机。实际上这点还是很难抓得准,所以Sin(δ)的正弦波关系,其实误差到20度以內都还不会偏差太大,Sin(70)也有0.93%的效果,但要注意,电机极数越多时,电气角对应的机械角的范围越小,则在机械角上差的1~2度,电气角度可能就超过20度,那影响就越来越大了。 感测器的解析度不足,或是安裝的公差太大时,对电机驱动来说,就变成了一场灾难了。若是了解此一情況,还可以用软件来修正,若是不知道,恐怕做出来的电机就永远输人一截。
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原文标题:如何用弗来明左手定则(Fleming's Left Hand Rule)来进行电机驱动
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