Создание и тестирование бесколлекторного мотора
- DIY или Сделай сам
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.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.
Несколько первых прототипов
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;
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;
- мощность уходящая в тепло;
- температура внутри мотора.
Немного из истории:
Главная проблема всех двигателей - это перегревание. Ротор вращался внутри какого-нибудь статора, и поэтому тепло от перегрева никуда не уходило. Людям пришла в голову гениальная идея: вращать не ротор, а статор, который при вращении охлаждался бы воздухом. Когда создали такой двигатель, он стал широко использоваться в авиации и судостроении, и поэтому его прозвали Вентильным двигателем.
Вскоре был создан электрический аналог вентильного двигателя. Назвали его бесколлекторным мотором, потому что у него не было коллекторов (щеток).
Бесколлекторные (brushless англ.) электродвигатели пришли к нам сравнительно недавно, в последние 10-15 лет . В отличие от коллекторных моторов они питаются трехфазным переменным током. Бесколлекторные двигатели эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД . Конструкция двигателя при этом относительно проще, в ней нет щеточного узла, который постоянно трется с ротором и создает искры. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Стоимость бесколлекторных двигателей несколько выше, чем коллекторных. Это вызвано тем, что все бесколлекторные моторы снабжены подшипникам и, как правило, изготовлены более качественно.
Испытания показали:
Тяга с винтом 8х6 = 754 грамма
,
Частота вращения = 11550 об/мин
,
Потребляемая мощность = 9 ватт
(без винта), 101 ватт
(с винтом),
Мощность и КПД
Мощность можно вычислить вот таким способом:
1) Мощность в механике вычисляется по такой формуле: N= F*v
, где F - сила, а v - скорость. Но так как, винт находится в статическом состояние, то движения нет, кроме вращательного. Если этот мотор установить на авиамодель, то можно было бы замерить скорость (она равна 12 м/с) и посчитать полезную мощность:
N полез= 7.54*12= 90.48 ватт
2) КПД электрического двигателя находится по такой формуле: КПД= N полезной/N затраченной *100%
, где N затрат= 101 ватт
КПД= 90.48/101 *100%= 90%
В среднем КПД бесколлекторных двигателей реально и колеблется около 90% (самый большой КПД достигнутый данным видом моторов равен 99.68%
)
Характеристики двигателя:
Напряжение: 11.1 вольт
Обороты: 11550 об/мин
Максимальная сила тока: 15А
Мощность: 200 ватт
Тяга: 754 грамм (винт 8х6)
Заключение:
Цена любой вещи зависит от масштабов ее производства. Производители бесколлекторных моторов множатся, как грибы после дождя. Поэтому хочется верить, что в скором будущем цена на контроллеры и бесколлекторные двигатели упадет, как упала она на аппаратуру радиоуправления... Возможности микроэлектроники с каждым днем все расширяются, размеры и вес контроллеров постепенно уменьшаются. Можно предположить, что в скором будущем контроллеры начнут встраивать прямо в двигатели! Может, мы доживем до этого дня...
Принцип действия которого основан на частотном регулировании и самосинхронизации получил название бесколлекторного двигателя. В данной конструкции, вектор магнитного поля статора управляется относительно положения ротора. Бесколлекторный двигатель был создан для того, чтобы улучшить свойства стандартных коллекторных электродвигателей постоянного тока.
Он органично соединил в себе самые лучшие качества двигателей постоянного тока и бесконтактных электродвигателей.
Основные отличия от обычных двигателей
Бесколлекторный двигатель нередко используются в радиоуправляемых моделях летательных аппаратов. Их выдающиеся характеристики и живучесть получили широкую популярность, благодаря отсутствию трущихся деталей в виде щеток, которые осуществляют передачу тока.
Для того, чтобы более полно представить разницу, нужно вспомнить, что в стандартном коллекторном электродвигателе происходит вращение ротора с обмотками внутри статора, основой которого служат постоянные магниты. Коммутация обмоток производится с помощью коллектора, в зависимости от положения ротора. В электродвигателе переменного тока, наоборот, ротор с магнитом вращается внутри статора с обмотками. Примерно такую же конструкцию имеет двигатель.
В отличие от стандартных двигателей, в бесколлекторном в качестве подвижной части выступает статор, в котором размещены постоянные магниты, а роль неподвижной части играет ротор с трехфазными обмотками.
Принцип работы бесколлекторного электродвигателя
Вращение двигателя осуществляется путем смены направления магнитного поля в обмотках ротора в определенной последовательности. В этом случае, постоянные магниты взаимодействуют с магнитными полями ротора и приводят в движение подвижный статор. В основе этого движения лежит основное свойство магнитов, когда одноименные полюса отталкиваются, а 
разноименные - притягиваются.
Управление магнитными полями в обмотках ротора и их сменой, происходит с помощью контроллера. Он представляет собой достаточно сложное устройство, способное коммутировать высокие токи с большой скоростью. Контроллер обязательно имеет в своей схеме бесколлекторный электродвигатель, что в значительной степени удорожает его использование.
В бесколлекторных электродвигателях отсутствуют какие-либо вращающиеся контакты и любые контакты, способные переключаться. В этом состоит их главное преимущество перед обычными электродвигателями, поскольку все потери от трения сведены к минимуму.
Характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой , что подчёркивается словом «вентильный», то есть «управляемый силовыми ключами » (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений. Структура БДПТ проще чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).
В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.
В англоязычной литературе такие двигатели обычно не рассматриваются отдельно от электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor). Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).
Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления : структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.
Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со ЩКУ , таких как искрение, помехи, износ щёток, плохой теплоотвод якоря и пр. Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех приложениях, где использование ДПТ затруднено или невозможно.
Описание и принцип работы [ | ]
Рис. 2. Структура двухфазного вентильного двигателя с синхронной машиной с постоянными магнитами на роторе.
ПК - преобразователь координат, УМ - усилитель мощности,
СЭМП - синхронный электромеханический преобразователь (синхронная машина), ДПР - датчик положения ротора.
U α = − u q ⋅ sin θ , {\displaystyle u_{\alpha }=-u_{q}\cdot \sin {\theta },}
U β = {\displaystyle u_{\beta }=} u q ⋅ cos θ , {\displaystyle u_{q}\cdot \cos {\theta },}
где - угол поворота ротора (и системы вращающихся координат) относительно оси α {\displaystyle \alpha } неподвижной системы координат. Для измерения мгновенного значения угла θ {\displaystyle \theta } на валу ВД устанавливается датчик положения ротора (ДПР).
По сути, является в этом случае заданием значения амплитуды фазных напряжений. А ПК, осуществляя позиционную модуляцию сигнала u q {\displaystyle u_{q}} , формирует гармонические сигналы u α , u β {\displaystyle u_{\alpha },u_{\beta }} , которые усилитель мощности (УМ) преобразует в фазные напряжения u A , u B {\displaystyle u_{A},u_{B}} . Синхронный двигатель в составе вентильного двигателя часто называют синхронным электромеханическим преобразователем (СЭМП).
Как правило, электронная часть ВД коммутирует фазы статора синхронной машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора (т. н. векторное управление). При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента ВД в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимально возможным для неё КПД . Для определения текущего положения потока ротора вместо датчика положения ротора могут использоваться токовые датчики (косвенное измерение положения).
Электронная часть современного ВД содержит микроконтроллер и транзисторный мост , а для формирования фазных токов используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микроконтроллер отслеживает соблюдение заданных законов управления, а также производит диагностику системы и её программную защиту от аварийных ситуаций.
Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях за счёт удаления дорогостоящего и зачастую громоздкого датчика положения уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.
В приложениях средней и большой мощности в систему могут дополнительно включаться электрические фильтры для смягчения негативных эффектов ШИМ: перенапряжений на обмотках, подшипниковых токов и снижения КПД. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей.
Достоинства и недостатки [ | ]
Вентильные двигатели призваны объединить в себе лучшие качества двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока. Это обусловливает их достоинства.
Достоинства:
Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых - высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.
Недостатки:
Конструкция [ | ]
Конструктивно современные вентильные привода состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).
Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы - программу (логику) управления.
Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали - для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка, и ротора (обычно на постоянных магнитах).
В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла , а в ВД - вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики . В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.
Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.
Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.
Статор [ | ]
Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.
Ротор [ | ]
По расположению ротора вентильные двигатели делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner).
Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.
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.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.
Несколько первых прототипов
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;
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;
- мощность уходящая в тепло;
- температура внутри мотора.
