Бесколлекторный двигатель постоянного тока расчет

Что дальше?

Если вы хотите еще сильнее углубиться в тему выбора, то вам нужно открыть Ютуб или любой поисковик и вбить запрос «тест тяги двигателя @название двигателя@» и изучить видео, где различные блогеры тестирую двигатель на разном уровне газа используя разные пропеллеры, выискивая идеальные параметры совмещения двигатель/пропеллер. Искать нужно видео о двигатели, который вы присмотрели для своей сборки.

Данные будут примерно такого вида:

«бесколлекторные двигатели» ликбез и проектирование

Как только я начал заниматся авиамоделизмом, мне сразу стало интересно почему у двигателя три провода, почему он такой маленький и в то же время такой мощный и зачем ему нужен регулятор скорости. Прошло время, и я во всем разобрался. И дальше поставил перед собой задачу сделать своими руками бесколлекторный двигатель.

Принцип работы электрического двигателя:В основу работы любой электрической машины положено явление электромагнитной индукции. Поэтому если в магнитное поле поместить рамку с током, то на неё подействует сила Ампера, которая создаст вращательный момент. Рамка начнет поворачиваться и остановится в положении отсутствия момента, создаваемого силой Ампера.

Устройство электрического двигателя:Любой электрический двигатель состоит из неподвижной части — Статора и подвижной части — Ротора. Для того чтобы началось вращение, нужно по очереди менять направление тока. Эту функцию и выполняет Коллектор (щетки).

Бесколлекторный двигатель — это двигатель ПОСТОЯННОГО ТОКА без коллектора, в котором функции коллектора выполняет электроника. (Если у двигателя три провода, это не значит что он работает от трехфазного переменного тока! А работает он от «порций» коротких импульсов постоянного тока, и не хочу вас шокировать, но те же двигатели которые используются в кулерах, тоже бесколлекторные, хоть они и имеют всего два провода питания постоянного тока)

Устройство бесколлекторного двигателя:
Inrunner (произносится как «инраннер»). Двигатель имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.

Outrunner

(произносится как «аутраннер»). Двигатель имеет неподвижные обмотки (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Принцип работы:
Для того чтобы бесколлекторный двигатель начал вращаться, напряжение на обмотки двигателя надо подавать синхронно. Синхронизация может быть организованна с использованием внешних датчиков (оптические или датчики холла), так и на основе противоЭДС (бездатчиковый), которая возникает в двигателе при его вращении.
Бездатчиковое управление:
Существуют бесколлекторные двигатели без каких либо датчиков положения. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз (А) подключен « » к другой (В) «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС (т.е. в следствии закона электромагнитной индукции в катушке образуется индукционный ток) в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе (С) изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора.

Что бы измерить это напряжение изпользуется метод «виртуальной точки». Суть заключается в том, что, зная сопротивление всех обмоток и начальное напряжение, можно виртуально «переложить провод» в место соединения всех обмоток:

Регулятор скорости бесколлекторного двигателя:Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка, т.к. при отсутствии регулятора, мы не можем просто подключить напряжение на него, чтоб он просто начал нормальное вращение.

Регулятор скорости — это довольно сложная система радиокомпонентов, т.к. она должна:1) Определять начальное положение ротора для запуска электродвигателя2) Управлять электродвигателем на низких скоростях3) Разгонять электродвигатель до номинальной (заданной) скорости вращения4) Поддерживать максимальный момент вращения

Принципиальная схема регулятора скорости (вентильная):

Бесколлекторные двигатели были придуманы на заре появления электричества, однако систему управления к ним никто не мог сделать. И только с развитием электроники: с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и микроконтроллеров, бесколлекторные двигатели стали применятся в быту (первое промышленное использование в 60-х годах).

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:-Частота вращения изменяется в широком диапазоне-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде-Большая перегрузочная способность по моменту-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)
Разобравшись с теорией, перейдем к практике: спроектируем и сделаем двигатель для пилотажной модели МХ-2.

Список материалов и оборудования:1) Проволока (взятая из старых трансформаторов)2) Магниты (купленные в интернете)3) Статор (барашек)4) Вал5) Подшипники6) Дюралюминий 7) Термоусадка 8) Доспуп к неограниченному техническому хламу9) Доступ к инструментам10) Прямые руки 🙂

Ход работы:1) С самого начала решаем:

Для чего делаем двигатель? На что он должен быть рассчитан? В чем мы ограничены?

В моем случае: я делаю двигатель для самолета, значит пускай он будет внешнего вращения; рассчитан он должен на то, что он должен выдать 1400 грамм тяги при трех-баночном аккумуляторе; ограничен я в весе и в размере. Однако с чего же начать? Ответ на этот вопрос прост: с самой трудной детали, т.е. с такой детали, которую легче просто найти, а все остальное подгонять под неё. Я так и поступил. После многих неудачных попыток сделать статор из листовой мягкой стали, мне стало понятно, что лучше найти её. Нашел я её в старой видеоголовке от видеорекоудора.

2) Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется изолированным медным проводом, от сечения которого зависит значение силы тока, а значит и мощность двигателя. Незабываем что, чем толще проволока, тем больше оборотов, но слабее крутящий момент. Подбор сечения:

1А — 0.05мм; 15А — 0.33мм; 40А — 0.7мм

3А — 0.11мм; 20А — 0.4мм; 50А — 0.8мм

10А — 0.25мм; 30А — 0.55мм; 60А — 0.95мм
3) Начинаем наматывать на полюса проволоку. Чем больше витков (13) намотано на зуб, тем большее магнитное поле. Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов. Для получения высоких оборотов, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.

Характеристики полученного двигателя:Потребляемый ток: 34.1АТок холостого хода: 2.1АСопротивление обмоток: 0.02 ОмКоличество полюсов: 14Обороты: 8400 об/мин

Видеоотчет испытания двигателя на самолете. Мягкой посадки 😀

Расчет КПД двигателя:

Очень хороший показатель. Хотя можно было еще выше добиться.

Выводы:1) У бесколлекторных двигателей высокая эффективность и КПД2) Бесколлекторные двигатели компактны3) Бесколлекторные двигатели можно использовать во взрывоопасных средах4) Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов в 1.73 раза, чем соединение треугольником.

Таким образом, изготовить собственный бесколлекторный мотор для пилотажной модели самолета- задача выполнимая

Если у вас есть вопросы или вам что-то не понятно, задавайте мне вопросы в комметариях этой статьи. Удачи всем)

Источник

Kv двигателя микро квадрокоптера

KV — это число оборотов двигателя на 1 вольт.

Следовательно, двигатель 19000KV с аккумулятором 1S 3.7 V будет вращаться со скоростью 70300 об/мин. Чем выше KV, тем быстрее вращаются двигатели. Грубо говоря, это даст:

• Чем меньше размер двигателя, тем больше у него ускорение и KV;
• Чем больше двигатель, тем больше у него крутящий момент и меньше KV;
• Для хороших навыков ускорения выбирайте высокий KV и маленькие пропеллеры;
• Для большего крутящего момента выбирайте меньший KV и большие пропеллеры.

Дрону, предназначенному для полетов на дальние расстояния, потребуется больший крутящий момент, в то время как микро дрону для полетов в помещении потребуется больший KV.

Поэтому крайне важно сначала определить ваши потребности, а затем выбрать двигатели, соответствующие этим критериям.

Бесщеточные двигатели или бесколлекторные

Как было сказано выше, бесколлекторные двигатели имеют только преимущества перед щеточными, кроме стоимости. По дизайну они тоже гораздо лучше. Как и щеточные двигатели, бесщеточные двигатели бывают разных размеров: 06, 07, 08 и так далее и размеров вала двигателя: 0,8 мм, 1,0 мм.

Для бесколлекторных двигателей число означает диаметр и высоту статора, статической части двигателя, состоящей из подшипников, катушек и статических неодимовых магнитов. Двигатель 0703 имеет диаметр статора 7 мм и высоту 3 мм.

Выбор двигателя к раме точно такой же и они должны соответствовать друг к другу. Как правило в карточках товара указаны допустимые двигатели/рамы.

Тип аккумулятора: 1S, 2S, 3S, 4S и так далее — тоже нужно учитывать этот момент. Чем больше секций у аккумулятора, тем меньше KV у двигателя, так как KV — это соотношение оборотов на вольт. Подробнее о KV тоже расписано в первой статье. Чем больше S (секций) у аккумулятора, тем меньше KV у двигателя.

К примеру, у 1S может быть 16-19000 KV, а у дрона на 4S c двигателем 1303.5 будет всего 4500 KV. У дрона на 2S с двигателями 1102 будет 10000 KV.

Бесщеточные двигатели поддерживают RPM-фильтрацию. В прошивке BLHeli_S можно включать двунаправленный DShot, благодаря чему выше фильтрация шумов и лучше летные характеристики.

В этой же прошивке можно активировать режим обновления в 48KHz, что позволяет увеличить время полета примерно на половину.

Итого:

• Обратите внимание на расстояние (размер) креплений двигателя к раме;
• Тип аккумулятора, который можно использовать с этими двигателями (S);
• Диаметр вала должен соответствовать диаметру отверстия пропеллеров, либо отверстия под винты должны совпадать с отверстиями под винты у пропеллеров;
• Размер двигателей должен соответствовать размеру рамы (двигатели 0603 не будут тянуть дрон на 5 дюймовой раме);
• Обратите внимание на способ подключения к регуляторам оборотов или плате полетного контроллера: пайка или разъемы.

Вам нужен бесщеточный мотор?

Существует огромное количество продавцов онлайн, и интернет-магазин Banggood также специализируется на запчастях к дронам, поэтому, если вы ищете выгодную цену, обязательно ознакомьтесь с предложениями по бесщеточным двигателям на Banggood.

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3. Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

6 групп по 2 зуба

4 группы по 3 зуба

3 группы по 4 зуба

2 группы по 6 зубьев

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 — это простое число, оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Датчики положения

Имеется в виду «электрических» градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Вот один из примеров расположения датчиков. На самом деле это был двигатель без датчиков. Таким простым способом его оснастили датчиками холла.

На некоторых двигателях датчики устанавливают на специальном устройстве, которое позволяет перемещать датчики в определенных пределах. С помощью такого устройства устанавливается угол опережения (timing). Однако, если двигатель требует реверса (вращения в обратную сторону) потребуется второй комплект датчиков, настроенных на обратный ход.

Звезда и треугольник

При включении звездой ток протекает через две обмотки. Результирующее сопротивление равно сумме сопротивлений двух обмоток R=R1 R2. Соответственно максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/(R1 R2). Потребляемая мощность P=U*I Предположим, что напряжение 10 В, а сопротивление обмотки 1 ОМ. Тогда ток I=10/(1 1)=5А. Потребляемая мощность P=10*5=50 Вт.

При включении треугольником ток протекает через все обмотки. Результирующее сопротивление обмоток R=(R1*(R2 R3))/(R1 R2 R3). Соответственно, максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/((R1*(R2 R3))/(R1 R2 R3)

При таком же напряжении и сопротивлении обмоток получаем ток I=10/((1*(1 1))/(1 1 1))=15А. Потребляемая мощность P=10*15=150 Вт.

При включении треугольником вырастают и обороты двигателя. Обмотки двигателя соединенные треугольником греются больше, чем при включении звездой.

Очевидно, что простым переключением обмотки с звезды в треугольник можно получить двигатель с совершенно другими характеристиками.

В высокомоментных двигателях с длительным режимом включения целесообразно применять звезду. В двигателях, работающих в кратковременном режиме, требующих более высоких оборотов, целесообразно применять треугольник.

Иногда в электротранспорте старт и разгон выполняется при включении обмоток звездой (так как это включение обеспечивает высокий момент на валу, но меньшие обороты), после разгона выполняется переключение в треугольник (обороты выше, момент меньше). Это позволяет увеличить диапазон оборотов двигателя, сохранив стартовые характеристики.

В следующей статье будет рассмотрен алгоритм управления бесколлекторными двигателями.

Источник

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Контроллеры бесколлекторных моторов (esc регуляторы)

Для управления бесколлекторными моторами используют специальные контроллеры — ESC (Electric speed controller — электронный контроллер скорости) регуляторы (рис. 3).

Рис. 3. ESC регуляторы

Задача контроллера состоит в том, что бы передать энергию постоянного тока от аккумулятора к трехфазному бесколлекторному мотору. Для передачи энергии контроллер использует MOSFETы — силовые ключи, которые могут открываться и закрываться за долю секунды.

Если мощности одного ключа недостаточно, используется несколько ключей, включенных параллельно. Попеременное включение/выключение фаз поддерживает вращение мотора. За переключением фаз следит микроконтроллер регулятора. Функциональная схема ESC регулятора показана на рис. 4

Рис. 4. Функциональная схема ESC регулятора

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.

Масса или вес

Здесь все просто, чем меньше вес, тем легче мотору раскручиваться, чем больше вес, тем тяжелее. Легкий двигатель можно более тонко настроить (PID) и он более чувствителен в воздухе. Чем легче двигатель, тем он мягче, поэтому новичкам лучше выбирать двигатели массивнее, чтобы в случае аварии они сильно не страдали.

Для гонок предпочтительнее тяжелые двигатели, а для фристайла легкие.

Помните, нужно балансировать между соотношением мощности к весу.

Мощность

В описании к двигателям пишут максимальную тягу, но не стоит зацикливаться только на ней. Например, легкий квадрокоптер с двигателями у которых небольшая тяга, в воздухе может себя вести точно также, как тяжелый квадрокоптер с двигателями с гораздо большей тягой. Есть одно правило:

Соотношение мощности к весу должно быть 4 к 1 для фристайл-дронов и 8 к 1 для гоночных дронов.

Рассчитать соотношение очень просто, для этого возьмем статическую мощность двигателей и разделим на общий вес квадрокоптера. Например, рассчитаем соотношение дрона на раме 200 мм с двигателями 2205 2400 KV и пропеллерами HQ5x4x3:

• Тяга двигателей составляет 4241,5 грамм;
• Общий вес вместе с аккумулятором 1300 mAh 75C составляет 490 грамм.

4241 : 490 = 8,6. Получается соотношение мощности к весу — 8,6 к 1. Это даже больше, чем рекомендуемая, а значит мощности с запасом и дрон будет очень резвым.

Можно было бы выбрать двигатели и с большей тягой, но это уже нецелесообразно, потому что в нашем случае двигатели потребляют ток 24 Ампера при полном газе на пропеллерах HQ5x4x3, а аккумулятор в сборке 1300 mAh и 75С, который выдерживает токоотдачу 97,5 Ампер, 1,5 ампера останутся в запасе.

Все взаимосвязано, поэтому лучше сначала определиться с рамой и двигателями, а потом покупать ESC (особенно, если сборка ESC Полетный контроллер, 4 в 1), чтобы потом не покупать новые комплектующие из-за несовместимости мощностей.

Об/вольт

Подскажите, что означает данная единица измерения.

Скорость вращения мотора в оборотах в минуту на 1 вольт напряжения, насколько я понимаю.

Ну мы тоже так думали.
Например у Мамбы 7700 — 7700 об/вольт
Вставив 11.1 В ЛиПо мы получим, в теории,

85000 (!) Об/мин. Сомнительно, да? Поэтому я сюда и обратился.

85000 (!) Об/мин. Сомнительно, да? Поэтому я сюда и обратился.

Именно так и есть, без нагрузки будет 85000 только сначала обрати внимание на его ограничения по вольтажу! Скорее всего он расчитан на меньшее напряжение. Например двигатель MedUsa Afterburner V2 36 specs:

MR-036-050-4800V2-5 4800RPM/V 0.004 700W 97A 117A 13V 36 x 50mm 5mm 230g 4800 оборотов на вольт, максимальное напряжение 13 вольт

Одним из основных параметров для бесколлекторных моторов является число Kv (каждый пишет по разному) но, как ни крути — это количество оборотов в минуту на 1 вольт напряжения. Т.е. без нагрузки при напряжении 9.6 вольт двигатель с числом Kv = 980 разовьет 980*9.

6 = 9216 об/мин. Для запуска бесколлекторного двигателя требуется контроллер, которой бы следил за положением ротора и коммутировал соответствующим образом обмотки. (Взгляните на какой-нибудь вентилятор что находится в вашем компьютере — там также стоит бесколлекторный двигатель, только со встроенным контроллером). Также бывают двигатели с датчиком Холла для слежения за положением ротора.

На Башне прекрасно все описано:
Mamba Max CMS-7700 Motor-_
Input Voltage: 6-8 cell NiCd/NiMH, 2S LiPo
Максимальное напряжение 8х1,2=9,6 вольт!
Итого 9,6х7700=73920 оборотов в минуту

Именно так и есть, без нагрузки будет 85000 только сначала обрати внимание на его ограничения по вольтажу! Скорее всего он расчитан на меньшее напряжение. Например двигатель MedUsa Afterburner V2 36 specs:

MR-036-050-4800V2-5 4800RPM/V 0.004 700W 97A 117A 13V 36 x 50mm 5mm 230g 4800 оборотов на вольт, максимальное напряжение 13 вольт

Одним из основных параметров для бесколлекторных моторов является число Kv (каждый пишет по разному) но, как ни крути — это количество оборотов в минуту на 1 вольт напряжения. Т.е. без нагрузки при напряжении 9.6 вольт двигатель с числом Kv = 980 разовьет 980*9.

6 = 9216 об/мин. Для запуска бесколлекторного двигателя требуется контроллер, которой бы следил за положением ротора и коммутировал соответствующим образом обмотки. (Взгляните на какой-нибудь вентилятор что находится в вашем компьютере — там также стоит бесколлекторный двигатель, только со встроенным контроллером). Также бывают двигатели с датчиком Холла для слежения за положением ротора.

Спасибо за информацию. Просто я на коллекторниках езджу 20000 — 25000 об/мин и тут вижу 85000 — просто удивился и решил уточнить. Ещё раз Спасибо

Обзор бесколлекторных моторов для arduino

Бесколлекторные моторы (рис. 1) появились сравнительно недавно и были созданы с целью оптимизации электродвигателей постоянного тока. Бесколлекторные моторы питаются трехфазным переменным током. Они эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Двигатели inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Двигатели outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Коммутация в бесколлекторном двигателе (БД) осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Обмотки и зубья

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3. Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Общее устройство (inrunner, outrunner)

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом.

К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Плюсы:

• Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
• Более высокий КПД.
• Хорошее охлаждение.
• БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели водоотталкивающей смазкой.
• Наименьшие радиопомехи.

Подключение к плате arduino

Схема подключения бесколлекторного двигателя с ESC-регулятором к плате Arduino показана на рис.5. Для подключения регулятора к плате Arduino используется 2 провода:

Красный провод регулятора является не входом, выходом с напряжением 5В, который можно использовать для питания платы Arduino.

Показания потенциометра будем использовать для управления скоростью мотора.

Рис. 5. Подключение бесколлекторного двигателя с ESC-регулятором к плате Arduino

Для управления регулятором будем использовать Arduino-библиотеку Servo. Минимальные и максимальные значения управляющего сигнала 800 мксек и 2300 мксек.

Содержимое скетча представлено в листинге 1.

После загрузки скетча на плату Arduino видим что мотор не запускается и не реагирует на повороты потенциометра. Регулятор необходимо откалибровать, чтобы он знал минимальные и максимальное значения. Для этого перед подачей питания на регулятор, выставляем потенциометр в максимальное значение.

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Источник

Пример использования

В качестве примера настроим автоматическую калибровку ESC-регулятора при запуске скетча Arduino. Нам потребуются следующие компоненты:

Плата Arduino Uno – 1;

Плата прототипирования – 1;

Мотор бесколлекторный – 1;

Потенциометр 10 кОм – 1;

Блок питания 12 В – 1;

Для калибровки в процедуре setup() производим эмуляцию перевода потенциометра м максимальное и минимальное положение. Содержимое скетча показано в листинге 2.

После запуска Arduino в процедуре setup() происходит калибровка регулятора, и в процедуре loop() мотор крутится со скоростью, соответствующей положению потенциометра.

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.

Размер статора

Так сложилось, что двигатели классифицируются сначала по размеру статора, а потом уже по другим данным, например, KV. Ниже вы можете ознакомиться с таблицей, где указаны рекомендованные характеристики двигателей в зависимости от размера рамы и пропеллеров:

С чего начать?

Первое, что нужно сделать — это посчитать вес вашего квадрокоптера. Конечно, когда вы только планируете, составить конечный вес сложно и придется опираться на данные из описания товаров и честность продавцов.

Первым делом нужно узнать вес рамы, потому что это основа и в большинстве своем ее форма и размеры начинают определять максимальные размеры оборудования, которое можно повесить на эту раму. Но давайте все изучим по порядку.

Типы моторов?

Двигатели/моторы в мультироторных аппаратах бывают двух типов:

1. Коллекторные (на англ. Brushed/DC/Сoreless).
2. Бесколлекторные (на англ. 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.

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.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается ) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора.

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

• Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
• Конструкция относительно проще конструкции БД.
• В виду этого, техническое обслуживание проще.

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

• Быстрый износ щёток.
• Снижение мощности инструмента.
• Появление искр.
• Задымление инструмента.
• Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Вывод: Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым). Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Т.к. такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно».

Щеточные двигатели или коллекторные

Щеточные двигатели — подходящее решение для начинающего пилота или просто для недорогого дрона. Простые в использовании и замене, они бывают разных размеров и форматов.

Размер щеточных двигателей указывается номером. Например, 716 означает длину 16 мм и диаметр 7 мм. Конечно, это зависит от назначения мотора, но грубо говоря, рама 65 мм будет хорошо сочетаться с двигателями 6 мм, рама 75 мм будет хорошо сочетаться с двигателями 7 мм и так далее.

Еще один важный момент касается вала двигателя, на котором крепятся пропеллеры. Существует несколько размеров (0,8 мм, 1,0 мм и так далее), и перед тем, как продолжить, нужно проверить совместимость с пропеллерами. Как вы можете видеть на картинке ниже, есть два 716 двигателя одного размера, но с разными валами, 0,8 мм и 1,0 мм:

Информация, подойдут или нет пропеллеры под размер вала, всегда указывается в характеристиках пропеллеров, там будет указано, какой диаметр у отверстия.

Итого:

• Длина и диаметр должны соответствовать раме.
• Диаметр вала двигателя должен соответствовать диаметру отверстия пропеллеров.
• Разъем для подключения должен соответствовать разъему подключения на полетном контроллере, обычно это Molex Pico 1,25 мм, 2 контакта.
• KV должен соответствовать требуемым летным характеристикам.

Эффективность (кпд)

Эффективность измеряется в граммах/ватт и представляется как требуемая тяга/мощность.

КПД двигателя влияет на время полета, срок службы аккумулятора и на падение напряжения в полете. Идеальный двигатель, это когда все параметры эффективны при любых оборотах двигателя, а не только при самых высоких.

Аккумулятор должен уметь отдавать большие токи, этот параметр указывается буквой С. Маленькие аккумуляторы с низким С не смогут реализовать высокую эффективность двигателя. Например, аккумулятор с 90С покроет потребности практически любых двигателей для фристайла и гонок.