Чертежи бесколлекторного двигателя своими руками

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.

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.

Читать еще: Двигатель 1zz работает громко

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.

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Перемотка «неперыматываемого» автомодельного бесколлекторного двигателя

Предисловие. Изначально я даже не верил в успех задуманного, и занялся перемоткой просто из интереса, а может быть даже азарта. Фото делал скорее по привычке, оставшейся еще со времен владения «очуменным» телефоном Sony Ericsson. Ну да. Конечно модель К750…))) Делалось почти наобум, методом экспромта, так что не стоит рассматривать мою заметку как руководство к действию. Считайте, что я просто доказал что это не только возможно, но даже и достаточно просто.

Предыстория. Завалялись у меня два двигателя, а именно CMS-9000 от компании Castle Creations. Хорошие добротные двигатели, казалось бы используй и радуйся. А, нет. Индекс говорит сам за себя. 9000 об/вольт – это как то многовато («ошень») для меня. Мне их просто некуда поставить. Даже для дрифта это много. А при условии что сейчас я собираю туринг-модель для ребенка, и изначально катание планируется по дому, то последствия установки кастла на модель вполне предсказуемы. Поиски по перемотке именно таких типов обмоток к успеху не привели, по крайней мере на русскоязычных ресурсах. Авиа или с вращающимся ротором – пожалуйста, много где, и на редкость разжевано. Но все же решил я их перемотать, благо недавно появились пару статей по перемотке, например от уважаемого Рустема Усманова, с которым мы пересекались еще в ветках ресурса rcdesign. Собственно, именно эта статья и стала толчком для перехода от неспешных размышлений к немедленным действиям. За что ему огромное спасибо!

Читать еще: M9r двигатель расход топлива

Начнем. Меньше букв – больше информации.

Был пациент – бесколлекторный двигатель Castle CMS-9000. 2Т 9000 об/В. Очень быстрый и очень мощный (регулятор на 60А нагревался с ним быстрее чем можно успеть прочитать это предложение))). Питание исключительно от 2 банок липо. От трех получается мечта пиромана)). Хотелось перемотать чтобы уменьшить токопотребление и снизить максимальные обороты в 2, можно даже в 3 раза (зачем – читаем предысторию).

Понадобилось: 1. Провод эмалированный медный диаметром 0,3мм 2. Скотч малярный широкий 3. Скотч прозрачный широкий 4. Тонкий картон 5. Эпоксидная смола (клей) 6. Инструмент – канцелярский, для пайки, и слесарный для вскрытия мотора.

Вскрытие мотора. Мне пришлось повозиться. Крышка со стороны выхода вала (лицевая) крепилась на 3 болта под шестигранник. С ней проблем не возникло. Вынул ротор (на нем помимо подшипников есть два латунных кольца – проставки), их желательно сразу убрать чтобы не потерялись.

Из за плохого обзора сначала даже еще надеялся что обмотка на статоре, как например на фото ниже из другой статьи, но снятие задней крышки убило эти надежды под корень…)))

Крышка со стороны выхода проводов крепилась на 3 малых потайных болта под шестигранник. Испробовав все имеющиеся в наличии, понял что такого у меня нет, хотя набор очень достойный. Размер где то в районе 1,1-1,15мм. Возможно специально сделан нестандартным чтоб не вскрывали.

П.С. вскрывал двигатель S3650-3980, там заднюю крышку крепят три болта под крестовую отвертку. Но крышка крепиться в основном за счет какого то клея. В свое время я её просто расшатал, но народ рекомендует сначала немного погреть феном до 200-250С.

Кое как открутил один болт. Два остальных пришлось рассверливать. Болты на редкость каленые. Острые сверла диаметром 2-2,5мм кончились уже после первого болта.))) второй пришлось попросту ломать пассатижами/чуть отгибать корпус. Вскрыл, смотрю.

Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Основное отличие заключается в том, что на бесколлекторных электродвигателях для моделей отсутствует обмотка на роторе. В случае с коллекторными электромоторами, на их роторах имеются обмотки. А вот постоянные магниты устанавливаются на неподвижной части двигателя. Кроме того, на роторе устанавливается специальной конструкции коллектор, к которому производится подключение графитовых щёток. С их помощью подается напряжение на обмотку ротора. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя тоже существенно отличается.

Как подобрать электродвигатель

Чтобы исключить ошибки на стадии проекта необходимо уделить внимание конструкции приобретаемого двигателя, а также его электрическим характеристикам: потребляемой мощности, величине напряжения питания, числу оборотов ротора.

Асинхронные машины обратимы. Они способны работать в режиме:

· электродвигателя, когда на них подается внешнее напряжение;

· или генератора, если их ротор вращает источник механической энергии, например, водяное либо ветряное колесо, двигатель внутреннего сгорания.

Обращаем внимание на заводскую табличку, конструкцию ротора и статора. Учитываем их особенности при создании генератора.

Что надо знать о конструкции статора

У него на общем сердечнике магнитопровода намотаны три изолированных обмотки для питания от каждой фазы напряжения.

Их подключают одним из двух способов:

1. Звездой, когда все концы собраны в одну точку. На 3 начала и общий вывод концов подается напряжение по четырем проводам.

2. Треугольником — конец одной обмотоки подключен к началу другой так, что схема собрана кольцом и из нее выходят всего три провода.

Более подробно эта информация изложена в статье моего сайта о подключении трехфазного двигателя в бытовую однофазную сеть .

Особенности конструкции ротора

На нем тоже создан магнитопровод и три обмотки. Они соединяются одним из двух способов:

1. через контактные выводы у двигателя с фазным ротором;

2. накоротко замкнуты алюминиевой вставкой в конструкцию беличьего колеса — асинхронные машины.

Нам нужен ротор короткозамкнутый. Все схемы разработаны для него.

Читать еще: Чем ограничены холостые обороты двигателя

Конструкцию фазного ротора тоже можно использовать в качестве генератора. Но ее придется переделать: просто шунтируем все вывода между собой закоротками.

Как учесть электрические характеристики двигателя

На работу генератора повлияют:

1. Диаметр провода обмотки. От него напрямую зависит нагрев конструкции и величина приложенной мощности.

2. Расчетная скорость вращения ротора, указываемая числом оборотов.

3. Способ соединения обмоток в звезду или треугольник.

4. Величина потерь энергии, определяемая КПД и косинусом φ.

Их смотрим на табличке или вычисляем косвенными методами.

Магниты и полюса

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.