Бесколлекторный двигатель на низких оборотах - Авто Сфера №76
Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
18 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесколлекторный двигатель на низких оборотах

бесколлекторный двигатель

Двигатели используются во многих областях техники. Для того чтобы происходило вращение ротора двигателя необходимо наличие вращающегося магнитного поля. В обычных двигателях постоянного тока это вращение осуществляется механическим способом с помощью щеток, скользящих по коллектору. При этом возникает искрение, а, кроме того, из-за трения и износа щеток для таких двигателей необходимо постоянное техническое обслуживание.

Благодаря развитию техники стало возможным генерировать вращающееся магнитное поле электронным способом, что было воплощено в бесколлекторных двигателях постоянного тока (БДПТ).

Электродвигатель для радиоуправляемой модели: какие бывают и что лучше купить – коллекторный или бесколлекторный

Если вы уже решили, какую именно радиоуправляемую модель хотите купить и точно знаете, что ваш будущий внедорожник, самолет, дрон или быстроходный катер будет оснащен электродвигателем, самое время задуматься, какого типа мотор лучше и надежнее.

Современная RC-модель на электрической тяге может иметь коллекторный или бесколлекторный двигатель. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. И разница тут не только в цене, как могут сказать в ближайшем магазине.

Итак, рассмотрим все детально, а выводы относительно того, с каким же моторчиком выбрать машинку (или другую модель) на радиоуправлении, пусть каждый делает самостоятельно.

Коллекторный электродвигатель: плюсы и минусы конструкции

«Brushed», «щеточный», «коллекторный» – все это названия первого типа электромоторов, которые пользуются популярностью как среди начинающих пилотов, так и среди профессиональных спортсменов, к примеру, участвующих в гонках или соревнованиях DRIFT.

Важная особенность конструкции – это наличие щеточно-коллекторного узла, являющегося его «сердцем» и непосредственно приводящим RC-технику в движение.

Внешнее отличие коллекторного от бесколлекторного электромотора – наличие всего двух проводов («плюс» и «минус») у коллекторных двигателей и трех проводов («фаз») у бесколлекторных двигателей для дальнейшего подключения мотора к регулятору оборотов (регулятору скорости, аббревиатура «ESC» англ.).

Ротор (подвижная часть) и статор (неподвижная часть) – это два основных элемента мотора коллекторного типа.

Внутри корпуса (статора) вращается подвижный ротор с медной обмоткой. С одной стороны вала ротора установлена передающая шестерня, или шкив, а с другой – коллектор, который, по сути, является набором контактов.

На статоре установлены графитовые щетки – тоже, своего рода, скользящие контакты, которые контактируют с коллектором. Щетки предназначены для передачи электроэнергии на обмотку вращающегося ротора.

С коллекторных двигателей все начиналось, это – «заря» RC-техники, поэтому они более дешевые и просты в обслуживании, но существенно уступают по мощности и времени эксплуатации новому поколению электромоторов.

Коллекторные двигатели

Преимущества

Низкий КПД (около 60%)

Сравнительно низкая скорость движения RC-модели

Простота эксплуатации и технического обслуживания

Быстрый износ составляющих конструкции, очень ограниченный ресурс эксплуатации

Исключительно подходит под определенные виды спортивных соревнований

Достоинства, приведенные в таблице, делают модели, оснащенные коллекторными двигателями, желанными для начинающих пилотов и пилотов-профессионалов для использования на специальных соревнованиях.

Если покупаете радиоуправляемую модель с коллекторным двигателем, учтите, что графитовые щетки и коллектор – это система подвижных контактов, в которой механическая составляющая мотора имеет свои особенности. Возможны искрения и перегрев, а потому – желательно избегать контакта с агрессивной внешней средой (влага, грязь, пыль).

Перед началом эксплуатации модели с коллекторным двигателем, ее желательно проверить, «обкатать» на низких скоростях, чтобы щетки «притерлись» к коллектору.

Бесколлекторный электродвигатель: в чем преимущества

«Brushless», «бесщёточный», «бесколлекторный» – это электромотор для радиоуправляемой модели (автомобиля, катера, самолета, вертолета или квадрокоптера), который был разработан уже в 21 веке. Он воплотил в себя все вожделенные качества любого профессионального RC-моделиста: надежность, мощность, долговечность.

Основная проблема, которой «грешит» любой электромотор – это перегрев. Когда ротор вращается внутри статора в коллекторном двигателе, высокая температура внутри механизма (а, следовательно, и быстрый износ, и частые поломки) – неизбежна.

Гениальное инженерное решение перевернуло мир радиоуправляемых моделей и не только: «А что, если вращать не ротор, а статор? Тогда охлаждение мотора будет происходить автоматически, за счет потоков воздуха создаваемого самим двигателем!»

Бесколлекторный двигатель стал широко использоваться в авиации и автомобиле- и судостроении, а радиоуправляемые модели с такой «начинкой» стали ездить и летать значительно быстрее и намного дольше.

Двигатель бесколлекторного типа приводится в движение за счет переменного тока. В этом случае нужен специальный регулятор скорости (или регулятор оборотов или контроллер), который преобразует постоянный ток аккумулятора в переменный с тремя фазами. Техническая сложность конструкции определяет главный (и, наверное, единственный) недостаток двигателей этого типа – они значительно дороже коллекторных.

Бесколлекторные двигатели

Преимущества

Высокий КПД двигателя (до 92%)

Более высокая мощность в сравнении с аналогичными по размеру коллекторными двигателями

Больший вес, по сравнению с аналогичным коллекторным двигателем

Высокая износостойкость за счет бесконтактной конструкции, соответственно значительно больший ресурс эксплуатации

Крайне нежелательно давать такие модели детям

Высокая степень влагозащиты, защиты от пыли и вязкой грязи

Невероятно высокая скорость движения модели, например, наземные модели могут развивать скорость до 260 км/ч, а воздушные до 350 км/ч.

Бесколлекторные электродвигатели надежные и долговечные, они практически не изнашиваются. Что может выйти из строя – это подшипники, которые легко заменить.

Одна особенность, которую может не заметить в бесколлекторном двигателе новичок, но чему обрадуется профи – это наличие сенсоров. Сенсорные электромоторы практичнее, поскольку установленные датчики (сенсоры) гарантирует очень плавную работу и быстрый старт, а также более рациональный расход энергии.

Есть сенсор или нет, начинающий моделист может не заметить, а вот, по стоимости ощутит сразу – наличие сенсоров делает ценник мотора более «тяжелым».

Читать еще:  Газ 31105 406 двигатель повышенные обороты

Как отличить внешне? У моторов с сенсорами кроме трех соединительных проводов есть шлейф из тонких проводков, которые подключаются к регулятору скорости.

Радиоуправляемая модель с бесколлекторным мотором – это выбор профессионалов, особую ценность для которых приобретает скорость и выносливость аппарата на соревнованиях.

Также следует отметить, что в большинстве случаев, для питания регуляторов с бесколлекторными двигателями применяются специальные аккумуляторные батареи литий-полимерного типа, которые могут вырабатывать огромные токи разряда (и это будет отдельная тема для следующей статьи).

Перед покупкой, взвесьте все «за» и «против», обратитесь за консультацией к специалистам и выбирайте модель «под себя» и свои возможности. Главное, что ассортимент рынка RC-моделей обширен и позволяет сделать оптимальный выбор.

Преимущества [ править ]

(перед коллекторными моторами)

  • Бесколлекторные двигатели эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД. Конструкция двигателя при этом проще, в ней нет щеточного узла (который работает постоянно в режиме трения, создает искры и в итоге потерю энергии)
  • Бесколлекторные моторы практически не изнашиваются, поэтому отсутствует необходимость в техническом обслуживании (кроме случаев выхода из строя подшипников).
  • Большинство бесколлекторных моторов не боятся влаги (могут работать полностью погружёнными под воду) при условии изоляции фазовых проводов, катушки электромагнита намотаны изолированным проводом по умолчанию. Но следует иметь в виду, что при длительной работе в воде неизбежно вымывается смазка из подшипников и они могут закиснуть, заржаветь.
  • Возможность использования в воспламеняемой, взрывоопасной и агрессивной среде (из-за отсутствия искр).
  • Большая перегрузочная способность по моменту.
  • Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
  • Генерация более низкого уровня акустического и электрического шума по сравнению с универсальными коллекторными двигателями постоянного тока.
  • Хорошее соотношение массогабаритных характеристик и мощности

Xerun Axe IP-67 для всех видов погоды

Xerun Axe поднимает защиту от атмосферных воздействий на новый уровень с водонепроницаемым рейтингом IP-67. Полностью запечатанный ESC в сочетании с надежной конструкцией корпуса радиатора гарантирует, что регулятор готов к любым условиям. Он сочетает в себе совершенно новую сенсорную подвеску. Больше не потребуется дополнительных действий, чтобы сделать вашу систему водонепроницаемой.

Проблемы коллекторных двигателей

На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:

  1. Электрические и магнитные поля взаимосвязаны. То есть каждый движущийся заряд создаёт магнитное поле и, соответственно, магнитные поля способны производить разность потенциалов.
  2. Магниты взаимодействуют между собой. Работа всех электродвигателей основана на взаимодействии магнитов. Одни из них постоянные, другие представляют собой катушку, в которой индуцируется магнитное поле прохождением через витки электрического тока.

Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:

  • статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
  • якорь (вращающийся элемент с обмотками);
  • угольные щётки;
  • коллектор.

Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.

Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:

  • износ щёток;
  • электрические помехи в результате искрения;
  • ограничения в максимальной скорости;
  • сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.

Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Часть 1. Теория и практика

Недавно мне пришел двигатель 2211 1700об.в, не способный раскрутить нужный мне винт. После некоторых тестов был поставлен диагноз: где-то подкорачивает обмотку. Можно было просто оставить его на запчасти но мне захотелось его перемотать. Статей о перемотке двигателей на русском языке очень мало, и вот я, начитавшись заморских сайтов решил написать свое пособие по перемотке бесколлекторных двинателей.

Основным материалом для данной статьи послужили материалы сайта www.gobrushless.com

Итак, начнем. Для начала нужно определиться с проводом для намотки.

Выбор провода. Сколько жил и какой толщины.

Обычно,для намотки двигателей используется медный эмалированный провод. (ПЭВ-2). Такой провод можно купить на радио рынке и в магазинах с электронными компонентами.

С увеличением мощности мотора, требования к качеству провода сильно возрастают. Для решения этой проблемы некоторые используют несколько более тонких проводов вместо одного толстого. В этом есть несколько приемуществ:

1 — Толстый провод сложнее наматывать.

2 — На больших частотах возможно появление скин-эффекта (поверхностный эффект)

Вкратце, скин эффект это явление, когда электроны, протекающие через медный провод, двигаются только по поверхности провода. В этом случае центральная часть провода просто не используется и превращается в нежелательный вес. Проявляется этот эффект с увеличением частоты.

Применительно к нашим БК моторам этот эффект обсуждался несколько раз. Есть сторонники и того и другого лагеря.

Я думаю, что частоты в наших моторах не так велики и об этом эффекте можно не думать.

Для получения максимального КПД от мотора, необходимо стремиться получить как можно меньшее сопротивление обмоток. Чем меньше сопротивление, тем меньше потери в обмотке и тем выше эффективность мотора. Для достижения этой цели необходимо использовать как можно более толстый провод. Но толстый провод — означает меньшее количество витков и меньший крутящий момент.Пока вам не нужно сделать очень высокоскоростной двигатель, старайтесь намотать как можно больше витков для создания большего крутящего момента.

Читать еще:  Двигатель 139 fmb технические характеристики

Слишком тонкий провод дает большое сопротивление, и вы не сможете пропустить нужный ток через двигатель. Если просто поднять напряжение, по закону Ома произойдет увеличение тока. Но потери в обмотках(нагрев) сильно возрастут , что приведет к разрушению двигателя. Т.е. для получения нужной мощьности — необходимо выбирать провод нужного диаметра.

Для модельных двигателей обычно используется провод диаметром 0.3-0.6 мм. Более тонкий провод позволяет намотать больше витков но и имеет большее сопротивление. Определить сопротивления вашего двигателя не так легко как кажется. Не пытайтесь измерить сопротивление менее 1 Ом, если у вас нет специального оборудования. Обычные цифровые мультиметры не предназначены для измерения таких низких сопротивлений.

Чтобы сделать жизнь немного проще, можно прогнозировать, сопротивление вашего двигателя путем измерения общей длины провода, а затем рассчитывать сопротивление, используя данные из таблицы. Таким образом, можно получить представление о том, какое сопротивление будет имеет ваш двигатель.

Я зашел в магазин «Чип и Дип» и купил катушку провода 0.4мм фирмы velleman. Надо сказать, что катушка 67 метров стоит 500р при простом походе в магазин и 380р при заказе через интернет. Так, что есть смысл сделать предзаказ.

Намотка мотора

Перемотка моторов — дело непростое. Потребуется довольно много практики, чтобы получилось красиво и качественно. В первый раз может потребоваться очень много времени.

Намотать 20 витков тонким проводом на зуб может оказаться довольно просто, но мы пытаемся намотать от 10 до 30 витков соответствующей толстой проволокой, что не всегда так просто.

Хитрость заключается в том, чтобы закрепить статор в какое нибудь приспособление, а затем, используя обе руки, наматывать витки с нужным усилием, чтобы обмотки получались более компактными. Это чрезвычайно важно, так как первый слой обмотки должны поддерживать следующие один или два слоя. Если первый слой намотан свободно, следующий слой может ложиться между обмотками первого слоя. Это создает общий беспорядок, и вы никогда не получите максимальное количество витков на зуб.

Правильно намотанный зуб имеет плотно уложенные слои и витки, которые должны выглядеть красиво и опрятно.

Для достижения такого результата необходимо много практики!

Схема намотки статора с 9 зубами

Основная схема намотки приведена на картинке ниже.

Эта схема одна из самых простых с физической и логической точки зрения. Основной проблемой является подсчет количества намотанных витков. По началу вы будете постоянно сбиваться со счета, но это пройдет с практикой.

Как можно объяснить этот эскиз в текстовом формате?

Существует простая форма записи для обозначения намотки:

Обычно статор мотается 3 проводами. Назовем их ‘A’, ‘B’ и ‘С’. Если смотреть на статор сбоку, то намотка провода по часовой стрелке будет обозначена заглавной буквой, а намотка против часовой стрелки — маленькой.

Таким образом,на схеме намотки 9ти полюсного мотора мы должны мотать все зубья в одном направлении, один за другим что видно в текстовой схеме «ABCABCABC». Девять букв, по одной букве для каждого зуба.

Итак берем провод, оставляем около 10 см, и мотаем первый зуб по часовой стрелке. Затем перекидываем провод на 4й зуб и мотаем его. И в заключение мотаем 7й зуб. Потом вторым проводом мотаем зубья 2, 5 и 8. И в завершение третьим проводом мотаем 3, 6 и 9 зубья.

Итак возьмем наш моторчик, и удалим с него старый провод. Он был намотан проволокой 0.3мм. Количество витков на оригинале было 24. (Как китайцы умудряются столько витков намотать? не представляю )) )

Теперь отмотаем метр провода 0.4мм и попробуем намотать по приведенной выше схеме:

Переход с зуба на зуб я заизолировал термоусадкой (где-то вычитал. )

Соединение проводов

Итак, у нас есть намотанный статор и из него торчит 6 проводов. Три провода из них — это начала обмоток, и 3 другие концы. Упс. Вы не уверены какие из них какие? В этом случае, необходимо было заранее маркировать провода в каком либо формате, чтобы пометить их начало. Для этого можно использовать кусочки скотча с надписанными буквами или скотч разного цвета.

Итак, у нас есть 6 концов, но только 3 из них подключаются к контроллеру скорости. Теперь, чтобы завершить перемотку необходимо выбрать схему подключения (базируясь на желаемом предназначении мотора).

Существует две конфигурации которыми можно соединить выводы статора:

Первая называется Звезда (Star или ‘Y’), а вторая — Треугольник (Delta).

Каждая конфигурация предлагает немного разные свойства и влияет на мощность мотора. Однако, изготовители двигателей еще не решили, какая схема является лучшим вариантом.

Диаграммы ниже показывают электрические схемы для этих соединений.

После этих картинок, сразу понятно почему эти схемы так называются.

Как правило, соединение «Треугольник» выбирается, если вы хотите получить высоко оборотистый мотор и соединение «Звездой» используется для получения более низких оборотов двигателя и позволяет использовать большие винты. В следующем разделе эта разница будет рассмотрена более подробно.

Если рассмотреть соединение Треугольником и подать напряжение на два вывода, во всех обмотках потечет ток. Для демонстрации того как ток распределиться между обмотками, предположим, что сопротивление одной фазы равно 1 Ом. В этом случае, у нас есть фаза А в 1 Ом, соединенная в паралель с 2мя другими фазами B и С (B и С соединены последовательно) сопротивлением в 2 Ома. По закону Ома можно подсчитать, что 2/3 всего тока пойдут через фазу А и оставшаяся 1/3 пойдет через фазы B и C. Результирующее сопротивление которое увидит контроллер будет 0,66 Ом.

Читать еще:  Буран снегоход датчики температуры двигателя

Если мы соединим выводы по схеме Звезда, то весь ток будет всегда идти через 2 фазы в любой момент времени.

Результирующее сопротивление для регулятора будет 2 Ома.

Если мы нагрузим мотор напряжением в 10В, то получим ток около 15А при соединении Треугольником и всего лишь 5А при соединении Звездой. Надо сказать, что соединение треугольником в данном случае дает большую мощность. Так-же, мы получим большие токи, но усилие для поворачивания большого винта может оказаться недостаточным. Можно подать на мотор большее напряжение и все же заставить этот винт крутиться, но возможно, что мотор от этого опять сгорит.

В качестве примера:

Предположим, что у нас есть мотор он винчестера, и мы хотим получить от него необходимую тягу для 72″ Piper Cub самолета. Чтобы мотор мог выдерживать большие токи, будем использовать 0.6 мм провод. После непродолжительных мучений, стало понятно, что больше 10-11 витков намотать этим проводом не получается.

Сначала, я соединил его звездой (т.к. я хотел получить больший крутящий момент). На 3х банках LiPo, с нужным мне пропеллером, удалось получить ток всего в 10А. Мощности мотора было явно мало и хотелось получить больше.

Мотор был переконфигурирован под схему Треугольник, что дало больше мощности. Больше тяги для полета, но вместе с этим и достаточно высокие токи, чтобы спалить мотор.

Что же делать в этой ситуации?

Самый верный способ, это подбор батареи с нужным напряжением. Соединение Звездой может спокойно потянуть 4 банки лития и в этой конфигурации выдать требуемую тягу. Для соединения треугольником, наоборот — необходимо уменьшить количество банок батареи.

В результате обе конфигурации выдадут примерно одну и ту-же мощность. (как ни крути)

Обороты и напряжение (об/В)

От того как вы намотаете мотор будет зависеть с какой скоростью он будет крутиться и какую батарею вам придется использовать для получения нужной тяги.

Если взять мотор без винта и дать полный газ на, скажем, 6В, мотор будет крутить на своих максимальных оборотах.

Если измерить эти обороты и поделить их на напряжение батареи, мы получим характеристику называемую Обороты на Вольт (RPM per Volt). После того как мы узнали эту характеристику мы уже сможем сказать, как быстро мотор будет крутить на нужном нам напряжении.

Например, наш мотор крутит 8000 Оборотов на 6В.

8000 / 6 = 1333 Об/в

В этом случае с батареей на 10В мотор будет выдавать 13330 Оборотов.

Эта характеристика помогает нам понять на что способен наш мотор, и подходит ли он для поставленной задачи.

Если нам нужен мотор для импеллера, тогда необходимо чтобы мотор имел более высокие Об/В.

Для 3D самолетов, необходимо вращать больший винт, и поэтому обычно используют моторы с более низким Об/В.

Под нагрузкой количество оборотов естественно упадет.

Возвращаясь назад к схемам Треугольника и Звезды. Имеется зависимость между этими двумя схемами и расчетом характеристики Об/В. Если вы соединили мотор звездой и измерили его обороты, вы можете подсчитать какие Об/В получатся при использовании схемы Треугольник и наоборот.

Для перевода от Звезды к Треугольнику надо домножить Об/В на 1.73

Для перевода от Треугольника к Звезде — домножить на 0.578

Таким образом, у нас появляется реальный инструмент для изменения характеристик мотора в зависимости от простой схемы подключения. Некоторые моделисты, зашли так далеко, что подключают все 6 проводов к небольшому блоку коммутации, что позволяет им менять схему в любое время.

Итак, как определить/рассчитать необходимое количество витков и оборотов/В перед намоткой двигателя?

Существуют специальные программы для расчета количества витков при определенных размерах статора и толщины зубов для получения нужного количества оборотов. Но в большинстве случаев, мы просто наматываем максимально возможное количество витков и измеряем параметры получившегося мотора. Используя полученные данные, уже можно понять устраивает нас такое положение дел или нет, и что делать для достижения цели. Метод «тыка» тоже работает достаточно хорошо.

Выводы:

В качестве инструкции можно привести несколько утверждений:

Чем больше витков намотано на зуб, тем большее магнитное поле будет получено на том-же токе.

Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов на вольт.
Для получения высоких Об/В, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.

Соединение Звездой дает больший крутящий момент и меньшее количество Об/В чем соединение Треугольником.

Последний штрих

Возвращаясь к моей моторке. Мне удалось намотать всего по 11 витков проволокой 0.4мм. С таким колиеством витков о соединении проводов треугольником можно сразу забыть. Итак, я зачистил эмаль с 3х выводов и спаял их вместе.

Оставшиеся 3 вывода были заправлены в термоусадку. Последним шагом я подпаял 2мм коннекторы.

Судя по параметрам — получилось где-то 2200 оборотов, тахометра не было под рукой.
GWS 6х3 тяга 270грамм 6А
GWS 7х3.5 тяга 330 грамм 8.2А

Вполне приемлемый результат.

На следующей странице представлены всевозможные схемы намотки бесколлекторных двигателей.

5 1 голос
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector