Toyota-navi.ru

АвтоКлуб Toyota
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое обороты на вольт у бесколлекторного двигателя

Что такое бесколлекторный двигатель?

Двигатели/моторы в мультироторных аппаратах бывают двух типов:

  1. Коллекторные/Brushed (др. названия: DC)/Сoreless.
  2. Бесколлекторные/Brushless.

Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в этой статье.

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако именно появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Как работает бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Работу БК мотора обеспечивает электронный блок управления. Он отвечает за подачу напряжения и обеспечивает правильное вращение. Магнитное поле воздействует на обмотку. Она вращается в нем, поворачиваясь до нужного положения. Для постоянного вращения электронные элементы в необходимые моменты времени подают постоянное напряжение на те или иные обмотки статора.

Большинство бесколлекторных электродвигателей – трехфазные. Но это не значит, что электронный блок управления питает мотор переменным 3-фазным током. Количество фаз соответствует числу обмоток мотора и бывает разным – 1, 2, 3 (чаще всего) и более. С возрастанием числа фаз повышается плавность вращения магнитного поля, но и усложняется система управления. Трехфазная система наиболее распространена благодаря удачному сочетанию плавной работы и умеренной конструкционной сложности.

В 3-фазном электродвигателе 3 обмотки соединяются по схеме «треугольник» или «звезда». Такой мотор имеет 3 провода. Это выводы обмоток.

У электромоторов с датчиками есть еще по 5 проводов: 2 – для питания датчиков положения, 3 – для передачи сигналов от датчиков. В любой момент времени напряжение поступает на 2 из 3-х обмоток. В результате, есть 6 способов подачи на обмотки постоянного напряжения. Так создается вращающееся магнитное поле, поворачиваемое при каждом очередном переключении на 60°.

Создание и тестирование бесколлекторного мотора

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.


На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Читать еще:  Что такое и кто создал двигатель внутреннего сгорания

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

  • ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
  • напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
  • температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

  • потребляемый ток;
  • потребляемое напряжение;
  • потребляемая мощность;
  • выходная мощность;
  • обороты вала;
  • момент на валу;
  • КПД;
  • мощность уходящая в тепло;
  • температура внутри мотора.

Видео демонстрирующее работу стенда:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Читать еще:  Холостые обороты двигателя и давление в системе

Применение

Области применения БДТП следующие:

  • создание моделей;
  • медицина;
  • автомобилестроение;
  • нефтегазовая промышленность;
  • бытовые приборы;
  • военная техника.

Использование БД для авиамоделей дает значительное преимущество по мощности и габаритам. Сравнение обычного коллекторного двигателя типа Speed-400 и БДТП того же класса Astro Flight 020 показывает, что двигатель первого типа имеет кпд 40-60%. Кпд второго двигателя в тех же условиях может достигать 95%. Таким образом, использование БД позволяет увеличить почти в 2 раза мощность силовой части модели или время ее полета.

Благодаря малому шуму и отсутствию нагревания при работе БДПТ широко используются в медицине, особенно в стоматологии.

В автомобилях такие двигатели используются в подъемниках стекол, электростеклоочистителях, омывателях фар и электрорегуляторах подъема кресел.

Отсутствие коллектора и искрения щеток позволяет использовать БД в качестве элементов запорных устройств в нефтегазовой промышленности.

В качестве примера использования БД в бытовой технике можно отметить стиральную машину с прямым приводом барабана компании LG. Эта компания использует БДТП типа Outrunner. На роторе двигателя имеется 12 магнитов, а на статоре – 36 катушек индуктивности, которые намотаны проводом диаметром в 1 мм на сердечники из магнитопроводящей стали. Катушки соединены последовательно по 12 штук в фазе. Сопротивление каждой фазы равно 12 Ом. В качестве датчика положения ротора используется датчик Холла. Ротор двигателя крепится к баку стиральной машины.

Повсеместно данный двигатель используется в жестких дисках для компьютеров, что делает их компактными, в CD и DVD приводах и системах охлаждения для микро-электронотехнических устройств и не только.

Наряду с БД малой и средней мощности в промышленности с тяжелыми условиями работы, судовой и военной промышленностях все больше используются большие БДПТ.

БД большой мощности разработаны для американских ВМС. Например, компания Powertec разработала БДТП мощностью 220 кВт со скоростью в 2000 об/мин. Момент двигателя достигает 1080 Нм.

Кроме указанных областей, БД применяются в проектах станков, прессов, линий для обработки пластмасс, а также в ветроэнергетике и использовании энергии приливных волн.

Система arduino

Часто для управления бесколлекторными двигателями используется аппаратная вычислительная платформа arduino. В основе находится плата и среда разработки на языке Wiring.

В Плату arduino входит микроконтроллер Atmel AVR и элементная обвязка программирования и взаимодействия со схемами. На плате имеется стабилизатор напряжения. Плата Serial Arduino представляет собой несложную инвертирующую схему для конвертирования сигналов с одного уровня на другой. Программы устанавливаются через USB. В некоторых моделях, например, Arduino Mini, необходима дополнительная плата для программирования.

Язык программирования Arduino используется стандартный Processing. Некоторые модели arduino позволяют управлять несколькими серверами одновременно. Программы обрабатывает процессор, а компилирует AVR.

Проблемы с контроллером могут возникать из-за провалов напряжения и чрезмерной нагрузке.

FAQ [ править ]

Мотор крутится не в ту сторону [ править ]

Чтобы поменять направление вращения бесколлекторного мотора, достаточно поменять местами подключение любых двух из трёх проводов (которые идут к мотору).

Могут ли моторы CW/CCW вращаться в другую сторону [ править ]

На моторах для мультикоптеров часто есть обозначение направления вращения CW/CCW. Они могут вполне вращаться и в обратную, не предназначенную для них сторону, если поменять местами 2 провода подключения (если в моторе нет встроенного регулятора). Мотор не сломается и его ресурс не уменьшится.

Следует иметь в виду, что обозначения CW/CCW ставятся в соответствии с крепежом пропеллера: направлением резьбы для затяжки пропеллера. То есть если мотор будет крутиться в обратном для него направлении, то возможно самооткручивание гайки и отстрел пропеллера. В таком случае следует применять самозатягивающиеся (нейлоновые) крепления.

Бесколлекторный мотор плохо стартует [ править ]

Мотор плохо стартует, то есть начинает вращаться, а потом останавливается.

  • Большинство причин кроется в больших скачках тока и, как следствие, провалах питающего напряжения. В первую очередь проверьте провода до аккумулятора. Пробную проверку лучше производить на той длине проводов, которые даны изготовителем, или короче.
  • Попробуйте снять нагрузку с мотора и проверить его на холостом ходу. Если так всё в порядке, а при установке пропеллера возникают проблемы, только дергается в одном направлении, попробуйте поставить мягкий старт или увеличить время акселерации. Также здесь поможет установка плавного выключения мотора.
  • Контроллеры, у которых есть ограничение тока, всегда имеют индикацию этого режима — это поможет установить, произошло срабатывание токовой защиты или нет.
Читать еще:  Чем отличаются двух тактные и четырех тактные двигателя

Чем и как смазывать подшипники [ править ]

  • Смазывать надо «быстроходными» маслами, т. е. жидкими. Нижний минимум по вязкости — трансмиссионное масло для мотоциклетных коробок. А лучше купить обычную «веретёнку». Купите один пузырёк, и закроете вопрос на несколько лет.
  • Если подшипник разбирать, то внутрь зубочисткой «шрус 4» и пару капель синтетической трансмиссионки. Аккуратно собрать, протереть и прокрутить — всё само перемешается.
  • Если подшипник не разбирать, то один из лучших методов смазки — это создать вакуум с помощью шприца. Внутрь шприца налить синтетику для трансмиссии, поместить туда подшипники, и поршень — на разряжение.
  • Как это делалось в недалёкую бытность, на большинстве автобаз, ремонтных мастерских и т.д. (способ наших дедов): маленькая ёмкость, смазка, подшипник, и на огонь. Когда сильно нагрелось, снимаем и остужаем. Воздух при нагреве выходит, а при остывании засасывает смазку пока она тёплая и не очень вязкая. Конечно, раньше не было силиконов и других крутых смазок, но наши предки таким образом даже густые смазки в подшипники загоняли.
  • При потенциальной опасности попадания воды на/в моторы (полёты вблизи или над водоёмами) полезно заменить все подшипники в моторах на нержавеющие. Иначе от малейшего контакта с (особенно — морской) водой (и даже без контакта) подшипники может заклинить. Ещё более радикальное средство – подшипники с шариками из двуокиси циркония, но стоят дорого.

Моторы загрязнились [ править ]

Для чистки моторов от грязи (например, после падения) понадобится разборка, маленькая кисточка с жёстким ворсом (зубочистка) и сжатый воздух. Необходимо избежать попадания жидкостей в подшипники, не только воды или спирта, но и органических растворителей типа WD-40 или бензина, иначе подшипникам быстро выйдут из строя: кроме ржавчины и вымывания смазки могут быть микрогидроудары и кавитация при вращении шариков по влажной обойме.

Как измерять температуру мотора [ править ]

Считается, что температура мотора не должна превышать 80°С. Температуру следует измерять в процессе работы мотора, т.к. он обдувается проходящими массами воздуха от пропеллера, если он полностью не закрыт. Примерно 30° температуры мотор обычно сразу добирает в течении 10 секунд после остановки при работе на максимальной мощности. Проверено инфракрасным датчиком температуры.

Где найти стопорные шайбы (кольца) для валов [ править ]

  • В местных магазинах с названиями «крепёж», «метизы», в том числе на строительных рынках. Ключевые слова для продавцов:
  • Искать в интернет-магазинах можно по ключевым словам «стопорные шайбы», «стопорные кольца», «упорные шайбы», «упорные кольца», «ГОСТ 11648», «ГОСТ 13942», «DIN 6799»
  • Искать в зарубежных интернет-магазинах можно по ключевым словам E-Clips, DIN 6799
  • Сделать самому из обычной шайбы подходящего размера, сделав в ней разрез.
  • В старой технике (например, советском кассетнике).

Многожильный или одножильный провод намотки [ править ]

При прочих равных многожильный провод обеспечивает лучшее заполнение окна, в то время как одножильный гораздо лучше держит перегрузки за счёт лучшего охлаждения.

  • Если говорить о снятии каких-либо рекордных ТТХ, то лучше многожильный провод намотки, например, как у T-Motor.
  • Если просто летать каждый день, то лучше одножильный, так как он живучее к перегреву и крашам.
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector