- Электрическое мотор-колесо для электромобилей мощностью 80 кВт и моментом 1250 Нм
- Колесо-мотор своими руками. Как сделать мотор-колесо?
- Как сделать колесо мотор своими руками? Готовим инструменты
- Принцип работы устройства
- Как сделать мотор колесо своими руками? Правила изготовления
- Преимущества использования мотор-колеса на велосипедах
- Обслуживание
- Сколько стоит данная деталь в магазинах?
- Самодельный электродвигатель для мотор-колеса
- Самодельный электродвигатель для мотор-колеса
- Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора:
- Обороты электромагнитные и реальные.
- Датчики положения
- Основные характеристики двигателя.
- Звезда и Треугольник.
- FAQ: бесколлекторные моторы
Электрическое мотор-колесо для электромобилей мощностью 80 кВт и моментом 1250 Нм
Категорически приветствую всех любителей электрических мотор колёс!
Лично сам я в них не верю, и считаю, что будущего у них нет, но кого это интересует.
В этой статье мы подробно разберём конструкцию электрического мотор-колеса от компании Protean.
Итак, это электрическое мотор-колесо пока проходит тестирование без встроенной в него подвески. Т.е. это просто мотор-колесо без адаптивной системы пневмо-гидравлической компенсации ударов и прочих систем рулёжки. Оно устанавливается в ступицу колеса обычного автомобиля и при этом пока не включает в себя тормозную систему, потому что продукт пока ещё «сырой» и находится на этапе тестирования и совершенства конструкции.
Алюминиевый корпус мотор-колеса — это его вращающаяся часть со шпильками, к которым прикручивается диск с шиной. Также внутри этого мотор-колеса есть ступичный подшипник, а это значит, что оно несёт на себе всю нагрузку и удары.
Технические характеристики мотор-колеса:
Непрерывная мощность 64 кВт (87 л.с.)
Максимальная мощность 80 кВт (109 л.с.)
Максимальная скорость вращения 1600 об/мин. (соответствует максимальной скорости 200 км/ч)
Непрерывный крутящий момент 650 Нм
Пиковый крутящий момент 1250 Нм
Напряжение 400 В
Максимальный ток 300 А
Это значит, что если на обычный автомобиль установить четыре таких мотор-колеса, то его максимальная мощность составит 436 л.с., что по современным меркам вполне конкурентноспособный показатель. А пиковый суммарный момент будет доходить до 5000 Нм, что тоже неплохо. При этом максимальная потребляемая мощность одного мотор-колеса может доходить до 120 кВт при механической мощности 80 кВт, что как бы намекает нам на КПД в 67%.
Статор мотор-колеса с сосредоточенной обмоткой и большим количеством зубов, т.е. у каждого зуба своя катушка меди. А это значит, что в чистом виде это именно BLDC-электродвигатель, а не PMSM. Потому что иначе обмотка была бы распределённая. Это сделано для того, чтобы повысить крутящий момент и подавать на эту обмотку именно трёхфазную «трапецию» с векторным управлением через датчики Холла, а не трёхфазную «синусоиду» с обратной связью от резольвера.
Неодимовые магниты наклеены на стальное ферромагнитное кольцо, которое вставлено во внутреннюю часть вращающегося алюминиевого корпуса. Всё это находится в масле и таким образом эффективно охлаждается. Это масло прокачивается через мотор-колесо, а затем идёт на радиатор с вентилятором. Как можно видеть, неодимовые магниты занимают не весь предоставленный объём внутренней части корпуса. Во второй половине находятся «мозги» мотор-колеса и ступичный подшипник.
К плате контроллера подходят два силовых кабеля с постоянным током от аккумуляторной батареи. Он после ряда преобразований превращается в трёхфазный трапециевидный и подаётся на обмотку статора. Красные колпачки закрывают штуцеры для масляного охлаждения. Также на плату выведены разъёмы управления.
Колесо-мотор своими руками. Как сделать мотор-колесо?
Велосипед – это отличное средство передвижения не только для тех, кто постоянно ищет себе адреналин, покоряя новые и новые горные и лесные дороги, но и для тех, кто совершает короткие поездки за продуктами в магазин. Зачастую эти люди довольствуются обычными велосипедами, работа которых основана на мускульной тяге. Но все же с каждым годом растет количество тех, которые двигаются при помощи маленького электрического двигателя. При этом велолюбителю предоставляется возможность ехать на педалях и таким образом заехать на крутую гору еще с большей скоростью. Но не обязательно приобретать новый транспорт в таком случае. Достаточно лишь доукомплектовать старый специальным элементом, которое называется колесо-мотор. На какие правила необходимо обратить внимание при его изготовлении, рассмотрим прямо сейчас.
Как сделать колесо мотор своими руками? Готовим инструменты
Для начала нам необходимо приобрести новое колесо диаметром от 20 до 28 дюймов. Можно использовать и старое, но в таком случае нужно убедится в его нормальной работе. В идеале колесо не должно образовывать «восьмерок» на ходу и быть хорошо отрегулированным на спицах.
Кроме этого, для создания самодельного мотор-колеса нужно приобрести аккумуляторную батарею. А для того чтобы можно было регулировать скорость движущегося велосипеда, нужно позаботится об установке специального регулятора скорости. Для хранения батареи покупается чехол или сумка, соответствующая размерам АКБ.
Еще одна немаловажная деталь – контроллер. Этот элемент представляет собой блок с множеством проводов, отвечающий за работу всего мотор-колеса. Контроллер являет
Чтобы обеспечить бесперебойность работ всех электромеханизмов, следует заготовить комплект предохранителей и провода. Последние можно использовать от обычных аудиоколонок.
Принцип работы устройства
Перед тем как начать изготавливать колесо-мотор, нужно вникнуть в его принцип действия. Данный элемент представляет собой бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Колесо-мотор заспицовывается в велосипедный обод и может монтироваться как сзади, так и спереди (некоторые устанавливают его сразу на два колеса). По своей мощности электрические моторы, применяемые для таких байков, могут быть 250 Вт, 500 и даже 1000 Вт. Последний способен развить скорость до 60 километров в час. Правда, вряд ли это будет безопасно на горной трассе или в жилой зоне в черте города. Кстати, вне зависимости от мощности данные электромоторы не нуждаются в дополнительных настройках, регулировках и обслуживании.
Как сделать мотор колесо своими руками? Правила изготовления
- Обратите внимание на правильный и грамотный расчет узлов. При таких условиях колесо-мотор можно обезопасить от различных затиров и заклинивания. Если же этого не сделать, вы рискуете столкнуться с разрушением деталей, что может стать причиной поломки всего электровелосипеда.
- Если детали по размерам и характеристикам подходят от уже бывших в употреблении, не бойтесь их использовать в работе. Главное, чтобы они находились в исправном состоянии. Некоторые элементы, конечно, нельзя изготовить самостоятельно по ряду причин. Однако это может значительно повлиять на ваш бюджет расходов. К примеру, установка спиц на диск будет стоить порядка полутора-двух тысяч рублей.
Преимущества использования мотор-колеса на велосипедах
Во-первых, благодаря наличию электрического двигателя вы можете безо всяких физических усилий преодолевать большие расстояния, что особо важно для пожилых и неподготовленных людей. Во-вторых, для езды на таком транспорте, в отличие от мотоциклов и скутеров, не требуется прав определенной категории. А это значит, что управлять им может абсолютно каждый. В-третьих, за счет компактности велосипеда вы не будете стоять в постоянных пробках. К тому же для хранения такого транспорта не нужно приобретать отдельный гараж.
Обслуживание
Сделанное мотор-колесо своими руками (а точнее его электродвигатель), в отличие от двигателя внутреннего сгорания, практически никогда не нуждается в дополнительном обслуживании. А это значит, что затраты на его содержание будут минимальными.
Сколько стоит данная деталь в магазинах?
В среднем новый электродвигатель, устанавливаемый на обод велосипеда, можно приобрести по цене от 10 до 30 тысяч рублей (мотор-колесо для автомобиля стоит еще дороже). При этом стоит отметить, что стоимость может существенно варьироваться от мощности устройства. Комплект мотор-колесо для велосипеда может стоить и 3 тысячи, но его хватит лишь на 200 метров езды.
Итак, мы выяснили, как сделать мотор-колесо своими руками.
Самодельный электродвигатель для мотор-колеса
Самодельный электродвигатель для мотор-колеса
этап первый — вникаем в суть
 Чертежи и схемы мотор-колеса с подробным описанием для самостоятельного изготовления пока не видел. Значит нужно изучить вопрос и оценить возможность реализации этой идеи без предвзятости рекламодателя отсылающего по ссылкам на готовую продукцию ввиду затруднений решения поставленной цели. В велосипедном мотор-колесе обычно стоит безколлекторный электродвигатель «постоянного тока». Безколлекторный означает без щеток-контактов. (далее БЭПТ, английская аббревиатура BLDC) Нам необходимо разобраться в принципах его работы, технологии изготовления необходимых конструктивных элементов и соответственно определится с выбором материалов для них. Наверняка кому-то удастся создать народный электродвигатель относительно низкой себистоимости и это лишь вопрос времени. Различают два типа электродвигателей БЭПТ: Inrunner, где м агниты ротора внутри статора с обмотками, и Outrunner, где магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. Тип схемы Inrunner для высокооборотных двигателей с малым количеством полюсов(количеством магнитов). Outrunner для высокомоментных двигателей с небольшими оборотами. Inrunners проще из за того, что статор неподвижен и может служить корпусом. При Outrunners вращается внешняя часть двигателя(ротор с магнитами) на подшибнике одетом на неподвижную ось статора как и в случае мотор-колеса где провода подводятся к статору через полую ось. На видео ротор с неодимовыми магнитами не прикручен к колесу и поэтому он и магнитопровод статора слипаются. Здесь на картинке ротор с магнитами уже прикручен к внешнему диску колеса, который надет на подшибник неподвижной оси статора. Теперь между магнитопроводом статора и магнитами ротора есть зазор для свободного вращения колеса. Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Устанавливаются они с чередованием полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. Например 8 парных магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. Материал ротора может быть как магнитопроводящим (стальным), так и немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.). Ниже на видео после вытаскивания магнитной, электротехнической стали статора видим по окружности алюминиевого ротора набор прямоугольных неодимовых магнитов. Обмотка трехфазного БЭПТ мотается лакированной медью. Провод может быть одножильным или многож ил ьным. Статор собирается из пластин специальной магнитопроводящей стали. Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. Для каждой фазы одинаковое количество зубьев. Для трехфазного БЭПТ количество зубьев статора будет делиться на 3. Количество зубьев статора может быть и больше и меньше количества полюсов на роторе. Например 9 зубов/12 магнитов; 51 зуб/46 маг. БЭПТ с 3-х зубным статором делают крайне редко. Потому как в каждый момент работают только две фазы (намотка фаз соединяется звездой), магнитные силы действуют на ротор неравномерно по всей окружности. Силы, действующие на ротор, стремятся его перекосить, что ведёт к росту вибраций. Для ликвидации этого статор делают с множеством зубьев, а обмотку мотают по зубьям всей окружности статора как можно равномернее. В этом случае магнитные силы, действующие на ротор, компенсируют друг друга. Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора:намотка 9 зубьев 12 зубьев
В приведенных вариантах намоток число зубьев выбрано так, чтобы оно делилось не только на 3. Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так: Например можно намотать 6 групп по 2 зубьев, 4 группы по 3 зубьев, 3 группы по 4 зубьев и 2 группы по 6 зубьев
Наиболее предпочтительна первая схема — 6 групп по 2 зуба. Существует двигатель с 51 зубом на статоре. 17 зубов на одну фаз у. 17 – это простое число, оно нацело делится только на 1 и на само себя. Обмотка распределяется как показано на картинке слева. Есть китайские статоры мотор-колес относительно большого диаметра на 63 зуба. Рассмотрим фото схемы обмотки слева. Смотрите, обмотка имеет разное направление намотки на разных зубьях . Разные направления намотки обозначают прописными и заглавными буквами. ABC abc Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все 3 обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно. Далее идут намотки параллельного соединения и комбинированного где используют последовательное и параллельное одновременно. Классическая Параллельно Комби
Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения. двигателя. Обороты электромагнитные и реальные.Если ротор имеет два полюса, то при 1 обороте поля в статоре, ротор даст один оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть ротор на один оборот требуется два оборота поля в статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше нужно оборотов поля статора для вращения ротора на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, надо 42/2=21 оборот поля статора. Подобрав число полюсов, можно получить двигатель с нужными оборотами. Кроме того, знание этого необходимо при выборе контроллера. Датчики положенияВ мотор-колесах часты датчики положения использующие эффект Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их обычно ставят на статоре у магнитов ротора. Угол между датчиками 120 градусов. Иногда датчики устанавливают на приспособлении которое позволяет двигать датчики. Так выставляют угол опережения (timing). Но если требуется реверс нужен второй комплект настроенных датчиков. Timing не имеет решающего значения при старте на низких оборотах, поэтому можно ставить датчики в нулевую точку, а угол опережения корректировать программно, когда двигатель начнет вращаться. Основные характеристики двигателя.
Так же следует обратить внимание на то, что при номинальной нагрузке Вы не получите максимальных оборотов на валу двигателя. Kv указывается для не загруженного двигателя. При питании двигателя от батарей следует учесть “проседание” питающего напряжения под нагрузкой, что в свою очередь также снизит максимальные обороты двигателя. Звезда и Треугольник.Обмотки бесколлекторного двигателя соединяют по схеме звезда или треугольник (дельта). 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. «Славянка» тип намотки электродвигателя. При питании от постоянного тока славянка даёт существенное (в некоторых местах — очень существенное) улучшение параметров двигателя в большом диапазоне оборотов и нагрузок, не говоря о отсутствии необходимости в магнитах. На роторе кольцо медной намотки. На номинальных оборотах и номинальной нагрузке выигрыш по активной мощности небольшой. При питании от переменного тока Славянка даёт дополнительный существенный выигрыш за счёт снижения реактивной мощности. Исходя из вышесказанного, Славянка даёт выигрыш там, где двигатель существенное время работает за пределами узкого интервала номинального режима обороты/мощность (например, в электротранспорте), либо при работе в промышленной сети переменного тока на асинхронных двигателях. Ныне существует патент на мотор-колесо Дуюнова использующий данный тип намотки. К сожалению подробных схем повторения данного типа намотки для велосипедных, да в общем то и остальных электродвигателей в интернете не нашел. Электротехническая сталь для статора мотор-колеса. Пакеты железа статора и если нет магнитов, то ротора тоже, являются магнитопроводами «сердца» электромотора и собираются из штампованных из электротехнической стали пластин. К пакетам железа предъявляются следующие требования: 1) магнитопроводы должны обладать минимальными потерями от вихревых токов и гистерезиса. Гистере́зис ( отставание, запаздывание) — скорость отклика на изменение поля. 2) должны быть просты в изготовлении. В качестве материала статора и ротора применяют электротехнические стали динамную или трансформаторную. Уровень удельных потерь для динамной стали выше, чем для трансформаторной, но динамная сталь крепче. Хрупкость трансформаторной стали обусловлена на несколько процентов большей чем в динамно й ста ли добавкой кремния. Кремний увели чива ет удельное электрическое сопротивление, при этом плотность сталей снижается. Пол о жительное действие кремния з аключается еще и в том, что способствует переходу углерода из наиболее вредной для магнитных свойств формы – цементита в графит. Соединения кремния убирают лишний кислород который также ухудша ет магнитные свойства стали, способствует образованию крупнозернистой структуры металла, снижает потери на вихревые токи и гистерезис. С повышением содержания кремния механические свойства стали ухудшаются – увеличиваются твердость и хрупкость. При содержании кремния 4 – 5% сталь выдерживает не более 1 – 2 перегибов на угол 90 о и, что очень нежелательно, снижается индукция насыщения. Поэтому в электротехнической стали содержание кремния не превышает 4,8%. Применение трансформаторной стали не всегда приемлемо ввиду повышенной её хрупкости . Иногда зубцы пластин отламываются еще при иготовлении пакетов. Так как статор мотор-колеса не вращается можно применить и трансформаторную сталь если есть соображения качественн ой её обработки. Слева фото б.у пластин 0.35 мм электротехнической стали от силового трансформатора по 10 гривен кг (объявление OLX). Желательно применять более тонкие пластины 0,2 мм ввиду меньших потерь магнитопровода. Можно купить новую динамную сталь в розницу или поискать готовый статор от сгоревшего мотор-колеса. Зубья статора можно вырубить заготовкой-чеканом, но по идее после требуется отжиг в бескислородной среде при 800 градусах. Знаю еще что в авиационных электродвигателях применяют кобальтовую сталь ввиду меньшего требуемого её объема для изготовления магнитопровода. Подходит последняя для мотор-колеса или нет не знаю, впрочем это не важно, потому как сырья из неё не найдёте в отличии скажем от пермаллоевых листов. Динамная сталь 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414 2420, 2421 | Для якорей и полюсов электрических машин постоянного тока, для роторов и статоров асинхронных двигателей промышленной частоты мощностью до 100 кВт, для магнитопроводов приборов. Пластичность высокая. |
Неодимовые магниты.
Латинские буквы в начале маркировки информируют о допустимой температуре эксплуатации магнита:
N (normal — нормальный) — до 80°C;
M (Medium — умеренный) — до 100°C;
H (High — высокий) — 120°C;
SH(Super High — супер высокий) — до 150°C;
UH (Ultra High — ультра высокий) — до 180°C;
EH (Extra High — экстра высокий) — 200°C.
Очень близкие по характеристикам к неодимовым магнитам, являются самарий-кобальтовые магниты, которые имеют одно явное преимущество – это более высокие рабочие температуры.
Цифра в маркировке, следующая сразу после букв, — это максимальное энергетическое произведение BH или полная плотность энергии магнита, которая измеряется в мегагауссах на эрстед. Чем выше данная цифра — тем сильнее магнит. Касаемо наших интересов, это значение будет характеризовать «компрессию» электродвигателя. Ниже представлена таблица параметров неодимовых магнитов серии N, в которой кроме параметра BH приведены также остаточная магнитная индукция Br, внутренняя коэрцитивная сила Hcj и максимальная рабочая температура T:
Остаточная магнитная индукция Br, указанная в Тесла отражает максимальную магнитную индукцию которую способен обеспечить магнит в замкнутой магнитной системе. Но в реальности магнитная индукция будет меньше, ввиду расстояния обмотки до магнита.
Магнитная индукция в точках расположения проводов обмотки статора будет всегда меньше величины остаточной магнитной индукции Br непосредственно магнита. Величина индукции на одном и том же расстоянии от магнитов разного размера, изготовленных из одинаковых магнитных материалов, будет тем больше, чем толще магнит.
Внутренняя коэрцитивная сила Hcj, указанная в Ампер/метрах для данного магнитного материала, отражает величину напряженности приложенного к магниту внешнего магнитного поля, что намагниченный изначально до насыщения магнит размагнитится под действием приложенного внешнего магнитного поля. Чем выше внутренняя коэрцитивная сила магнита — тем лучше он сохраняет намагниченность при действии внешнего поля.
Максимальная температура эксплуатации Tmax это та температура, достигнув которой магнит временно утратит часть своих магнитных свойств, однако при снижении температуры обратно к нормальному значению, утраченные свойства полностью восстановятся. Не нужно путать данную температуру с температурой Кюри, при которой магнит полностью размагничивается.
FAQ: бесколлекторные моторы
Каков максимальный крутящий момент бесколлекторника?
Ответ: если контроллер не вмешивается в процесс, то такой же как у ДПТ: M=2*N*b*Ф*I*r, где: N — «общее» число витков статора, b — длина рабочей части витка, Ф — магнитный поток ротора, I — «обмоточный» ток статора, r — рабочий радиус ротора (можно принимать за внутренний радиус магнитов ротора). Отсюда, поскольку ток в статоре зависит от скорости вращения ротора (противоЭДС), то максимальный ток будет в момент пуска или при остановленном роторе. Или тот, который ограничивается ESC-контроллером.
Комментарий: так понимаю формула для простого, двухполюсного, коллекторного мотора прямого тока с внутренним ротором. Скрин википедии ниже.
В формуле участвует «общее» число витков статора и «обмоточный» ток. В зависимости от схемы соединения и намотки они могут быть разными. Так, к примеру, соединение звездой в каждый момент участвует только 2 обмотки из 3-х, а при соединении треугольником хоть и работают все три обмотки, но 2 из них включены последовательно третьей и, соответственно, имеют вдвое меньший ток.
3. Можно ли повысить крутящий момент мотора его перемоткой?
Ответ: Практически нет.
Для одного и того же мотора Ф,b,r — константны и соответственно крутящий момент фактически зависит только от произведения I*N, которое измеряется в ампер-витках и часто принимается за магнито-движущую-силу мотора (МДС). Отсюда, повысить крутящий момент мотора его перемоткой практически нельзя, если не увеличивать МДС.
Увеличивать МДС, повышая ток мотора практически невозможно, поскольку при таком подходе растет плотность тока в обмотке, что неизбежно приводит к её повышенному нагреву, а на заводе этот параметр тщательно считан, иначе неизбежен перегрев мотора и выход из строя магнитной системы ротора.
То есть, по-просту: сколько меди влезло в паз — таков и крутящий момент.
«Практически» — связано с тем, что перемотка тщательно, «виток к витку» позволяет втиснуть до 10-12% больше меди чем «внавал» или «как получилось» (из моего опыта), а также перемотка одно-жильной обмотки на много-жильную более тонким проводом, при правильном подборе жил позволяет уменьшить зазоры между медью в пазу статора и тем самым втиснуть больше меди. Но это, как правило редко удается, поскольку опять же на заводе все уже учтено и посчитано «до нас». Как правило, при перемотке другим проводом мотор теряет до 10% от исходного крутящего момента. Это опять же, если исходно мотор был намотан до 100% заполнения паза. Часто «китайцы» экономят медь и мотают её внавал .. и вот тут появляется шанс.
4. Какой в цепи питания мотора ток и почему?
Ответ: смотря что считать «цепью питания». Непосредственно в обмотках статора течет переменный ток (и вовсе не обязательно «синусоидальный» как в розетке!), так же как и ток в обмотках ротора любого ДПТ или синхронного двигателя. На коллектор (контроллер бесколлекторника) подается постоянный ток, одинаково.
В ДПТ (коллекторный двигатель) преобразованием постоянного тока в переменный занимается спец. изделие — «коллектор». В бесколлекторном моторе эту функцию выполняет ESC-контроллер.
Почему переменный? А просто: чтобы двигатель мог вращаться, надо вовремя переключать направление тока. А уж чем мы это делаем — в общем-то в данном классе двигателей — не важно.
Дополнение: форма тока в обмотках мотора может существенным образом менять его механическую характеристику и основные параметры, в т.ч. к.п.д. и kV. Как правило, бесколлекторник питается «трапецевидным» или пульсирующим током, но он все равно является переменным, поскольку за оборот меняет свое направление на «туда» и «обратно» и может так делать даже и не один раз (редукция).
5. Что такое kV мотора?
Ответ: параметр мотора, отвечающий за его скорость вращения исключительно без нагрузки (холостом ходу). Расшифровывается как число оборотов мотора на каждый вольт напряжения питания. К примеру, kV=2000 означает, что если на мотор подать 1вольт, то без пропеллера или иной нагрузки он стабилизируется на скорости 2000 об/мин (rpm). И так на каждый вольт поданного напряжения. Но это, ещё раз, исключительно без нагрузки. Под нагрузкой будет меньшее количество оборотов пропорционально нагрузке и согласно механической характеристике мотора.
6. Что такое механическая характеристика мотора?
Ответ: это зависимость скорости вращения и потребляемого тока от нагрузки на мотор при заданном питающем напряжении. Для бесколлекторного двигателя, также как и для ДПТ эта зависимость (если не вмешивается контроллер) носит «практически» линейный характер. При чем для тока со знаком «+», а для скорости вращения со знаком «-«. То есть, чем больше нагрузка на валу, тем больше потребляемый ток и тем меньше скорость вращения и эти зависимости — линейны.
Для построения механической характеристики требуется знать(измерить, расчитать) только 2 точки: а) режим холостого хода, определяющий наибольшую скорость вращения и минимально потребляемый ток. И б) режим полного торможения — максимальный момент на валу двигателя при котором он останавливается полностью. При этом, в режиме останова, ток через мотор определяется его омическим сопротивлением.
«практически» — только лишь потому, что остановить бесколлекторник с очень малым омическим сопротивлением равносильно сжечь его за доли секунды.
Поэтому для них указывают максимально допустимый ток, который по-хорошему, должен ограничиваться принудительно ESC-контроллером (хороший контроллер) или оператор должен использовать мотор так, чтобы гарантировать и не выходить за означенный производителем предел. Например, не перегружать бесколлекторник пропеллером, винтом или колесами.
Фактически, бесколлекторник с малым омическим сопротивлением способен работать не на всей своей механической характеристике, а только лишь на её части.
Кстати, зависимость скорости, тока и макс. крутящего момента от напряжения .. тоже линейна. То есть, подавая вдвое меньшее напряжение (больше ограничивается производителем и указывается в ТТХ) получим вдвое меньшую скорость вращения при той же тяге или вдвое меньшую тягу на той же скорости вращения, на выбор. Только вот кому оно надо?
7. Если нельзя увеличить крутящий момент, то зачем перематывают моторы?
Ответ: перемотка мотора чаще применяется не для увеличения момента, а для изменения его kV. Хотя вот случаи с полупустыми пазами или намоткой «как попало» (внавал) позволяют поднять и крутящий момент тоже.
Дело в том, что нагрузка на мотор всегда требует определенных скоростей его вращения в рабочем режиме (меньше чем kV!) и часто мотор «не подходит» по скорости вращения. Тут вариантов два: или ставить редуктор или перемотать мотор. Каждый имеет как свои плюсы/минусы, так и диапазон применимых решений. по просту, иногда поставить редуктор проще/дешевле/полезней, а иногда проще/дешевле/полезней перемотать мотор на требуемое kV.
Важно: при изменении kV мотора также неизбежно изменяется его мощность (при том же питании!), причем как электрическая так и на валу (механическая). Перемотка мотора на меньшее kV с неизбежностью ведет к уменьшению потребляемых (допустимых) токов и падению мощности и это иногда даже является «благом» — может быть увеличена тяга винтомоторной группы (тяжелые низкооборотные пропеллеры вместо молочения воздуха винтом с мелким шагом) в целом при снижении потребляемой мощности, а следовательно меньших нагрузках на контроллер тоже.
Однако, kV мотора можно изменить и без перемотки..
8. Как изменить kV без перемотки и что такое «схема включения»?
Ответ: бесколлекторник, как правило имеет «многополюсный» вариант изготовления, в отличии от «коллекторных» моторов модельного ряда (детских игрушек). Многополюсные ДПТ конечно же встречаются в природе и достаточно часто, но как правило это «не наш случай». Типовое количество для outrunner-ов полюсов (пар обмоток) статора 6 (12 обмоток-катушек «зубьев») и количество магнитов в роторе — 14. Такая конструкция часто маркируется как 12N14P, но бывают и иные (пока более-менее наверное разобрался с этими). 6 пар полюсов дает 12 «зубьев» на статоре из которых собирается 3 обмотки («фазы») питающего напряжения. На каждую из фаз приходится по 4 «зуба» и их можно соединить промеж себя (непременно соблюдая «полярность» катушек — «зубьев»!) .. тремя разными способами, а именно:
а) последовательно. В этом случае омическое сопротивление максимально и также максимальна индуктивность обмотки «фазы». Точнее R_обм = 4R_зуба, L_обм=4L_зуба;
б) параллельно. Имеем минимальные сопротивления и индуктивность «фазы» в целом. Практически в 16 раз меньше чем в «а«;
в) упс .. их же 4! можно соединить «параллельно-последовательно». В результате общее омическое сопротивление И индуктивность «фазы» будут .. равны сопротивлению и индуктивности одного «зуба». Или такая обмотка будет занимать «среднее» положение по отношению к первым двум: разница в 4 раза с обоими вариантами «а» и «б«.
Кроме этого, сами фазы промеж себя можно соединить ИЛИ треугольником (начало1 + конец2, .. рисунков в сети — полно) ИЛИ «звездой» (все концы вместе, ток подает на начала обмоток). В этом случае, итоговое сопротивление (и индуктивность!) всего мотора будет или удвоенным сопротивлением 1 обмотки («звезда»)) или составлять 2/3 от неё («треугольник» или «дельта»).
Надо заметить, что в треугольнике также в 1.5 раза возрастает суммарный требуемый/расчетный(!) ток. То есть, если в звезде ток течет последовательно по двум фазам (третья болтается в отключке), то в треугольнике ток течет по всем трем фазам, но по одной — такой же как в звезде, а по двум требуется(!) докинуть ещё половинку для достижения той же самой плотности тока (или ампер-витков — МДС). Соответственно, когда читаете что треугольник «жрет» больше тока — так оно и есть. Но при этом токовая нагрузка на медь будет одинаковой.
К чему это я? Ах да .. как изменить kV .. ну так вот, среди прочих многих параметров (которые для перемотки в общем-то опять константы!) индуктивность мотора в целом играет ключевую роль, а именно: чем больше индуктивность — тем меньше kV.
Отсюда, получить желаемое kV вполне можно и .. без перемотки мотора. Просто, разъединяем зубья и пересоединяем их как нам нравится/требуется/хочется. Замечу (недавно узнал) что соединение обмоток в звезду, зубья которых соединены промеж себя по типу «в» называется .. «двойная звезда» и обозначается (в т.ч. и на этом форуме) как «YY«. Наверное аналогично бывает (не видел ишо) обозначение «DD» для схемы «треугольник» с вариантом соединения зубьев по типу «в» выше.
По мне, удобнее обозначение (с учетом жильности провода) как «1d4TY» — намотка статора одним проводом, с последовательным соединеним зубьев в обмотку и подключение обмоток-фаз по схеме «Звезда». Аналогично: «3dT/4D» может означать: намотка в три параллельные жилы, параллельное соединение зубьев в фазу, которые соединены в треугольник, и т.д.
Ответ: Нет. Обмотки попеременно подключаются то к плюсу то к минусу одним и тем же концом на каждом обороте и даже по нескольку раз. Смотрите схему в википедии про «рамку с током». Это и есть самая простая модель «бесколлекторного двигателя», только роль коллектора исполняет контроллер. Так что в самих обмотках течет ПЕРЕМЕННЫЙ ток «туда и обратно». В противном случае обмотка тупо «залипнет» на постоянном магните в одном положении. Чтобы мотор вращался, требуется создать вращающееся поле и это делается попеременным изменением тока в обмотках. Весь вопрос во всем разнообразии двигателей только в способах создания и возможностях регулирования этого процесса.
10. Не собираюсь ничего перематывать. Нафига мне всё это (знать)?
Ответ: Ну .. например для того, чтобы отличить «скаковую лошадь» (Ззвэр-мотор) от «ну не шмогла я!». Какие рекомендации и выводы можно сделать из выше сказанного?
а) из п.2 следует, что мощность мотора определяется его радиусом (чем больше — тем лучше), потоком его магнитной системы ротора и тут есть разные «ниодимы» от 1.1 «теслы» до 1.3 и даже выше и допустимыми ампер-витками (число витков * макс. ток) с учетом схемы соединения проводов. Только из этого уже можно ограничить класс моторов для поиска нужной конфигурации: какой мотор Вам подойдет при таком-то весе планера? Уже можно отталкиваясь от веса оценить какую тягу надо иметь и какой диаметр мотора можно искать.
б) из п.3. следует, что «Ззвэр» не может быть намотан «как попало» и его обмотки просто обязаны быть уложены виток к витку, как «в сказке». Это прирост до 10% мощи. Далее, оттуда же, мотор с «дырами» вместо меди на статоре (не 100% заполнение медью) — однозначно никак не «Ззвэр» ни при каких заявленных параметрах (в том же объеме того же железа можно сделать круче, тупо заполнив медью дырки).
в) п.2, п.3, п.8 — суммарно указывают на то, что большой ток мотора — ещё не показатель. Он может быть большим из-за схемы намотки, а ток отдельного зуба .. до 8-и(!) раз меньше .. зачем искать то, что требует повышенных токов при той же моще?
г) п.5, п.6, п.7, п.8 — совместно позволяют ВЫБРАТЬ полезный мотор под конкретную винто-моторную группу (колесную, гребную и т.п.) не только с «заданным kV», но и с приемлемой схемой соединения и жильностью фаз, обеспечивающей минимальные требуемые токи от остальной электроники. То есть, по-просту: «250А» — ещё не повод «кипятком как два пальца об асфальт»..
д) В целом, глядя на мотор по его размеру (диаметру), проводу, схеме намотки, марки магнитов ротора и заявленным токам можно даже оценить рабочую температуру мотора и понять «как долго» производитель обещал ему «пахать без присяду» .. то есть сколько он сможет работать непрерывно на макс. тяге и сколько вообще он прослужит. Мои предварительные расчеты показали, что ряд моторов заведомо считан на постепенное размагничивание ротора — рабочая температура находится непосредственно на допустимой температурной границе магнитной системы, практически «без запасу». Может ошибся, допускаю, но «напрягло»..
Ну и в целом, понимая «что к чему» можно понять КАКИЕ параметры важны для вашего выбора и «что умолчал» тот или иной производитель.
Надеюсь достаточно аргументов не выбрасывать «бабки не ветер» в прямом смысле.
11. Нужного мотора с требуемым kV и крутящим моментом нет. Как пересчитать на новое kV?
Ответ: достаточно просто зная полную схему намотки и измерив провод исходного мотора.
Под полной схемой намотки предлагаю понимать диаметр провода (наружный и по меди — «марку») + его жильность + схему соединения обмоток зубьев в обмотку фазы + схема соединения фаз «звезда»/»треугольник». В этом случае, можно через любой калькулятор индуктивностей, напр. Coil32 (не рекламирую) подобрать/посчитать индуктивность зуба и получить общую индуктивность исходного мотора БЕЗ магнитной проницаемости материала статора(она не меняется, соответственно ни на что не влияет!).
Произведение такой индуктивности на исходное kV (=Lисх*kVисх) — останется «константным» при любой перемотке или близким к нему. Собственно и «всё». Далее, зная нужное kV, из пропорции, получаем новую индуктивность мотора в целом, «разбираем» её на отдельные фазы согласно желаемой схеме (например по потребному току), разбираем на отдельные зубья и посредством того же калькулятора подбираем количество витков для обеспечения требуемой индуктивности зуба. Далее смотрим какая схема намотки (провод + жильность) дают искомый результат и вообще, влезет ли оно в слот статора.. собственно и всё. Окончательно проверяем результат по итоговой плотности тока и МДС (ампер-виткам). Плотность тока не должна превышать исходную, и ампер-витки желательно получить «побольше». Последнее крайне сложно, но хотя бы не хуже 90-95% от исходных ампер-витков.
Как физически разобрать и перемотать мотор «виток к витку» — очень хорошо изложено много где, не вижу смысла повторяться.
12. «Как раз из формулы и вытекает, что при том же токе и разном количестве витков момент мотора меняется. По моим ощущениям это также подтверждается практикой — моторы с меньшим КВ (и соответственно большим количеством витков) но идентичные по конструкции при том же напряжении батареи упираются заметно сильнее при попытке остановить рукой. Но и вращаются при этом медленнее — то есть постоянной остается мощность.»
Ответ:
Ощущение часто обманчиво. Дело в том, что с одной стороны — «да, Вы правы». При большем числе витков и ТОМ ЖЕ токе, конечно же МДС (ток*витки) становится больше и крутящий момент возрастает безусловно. Но: тут же неизбежно растет плотность тока в обмотке, поскольку больше витков — тоньше провод (паз заполнен на 100% как был так и остался), а следовательно неизбежно растет рабочая температура, которую и «без нас» уже выжали по максиуму.
Соответственно, при ОДНОЙ И ТОЙ ЖЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА — МДС остается той же самой и изменяется в очень небольших пределах из-за разной процентовки заполнения паза проводом разного диаметра. И тут — чем толще провод, тем больше остается «дырок» (провод — круглый). Идеальное заполнение возможно на прямоугольном проводе, но таких практически нет.
Ну и при попытке остановить мотор рукой — Вы ощущаете не больше силу момента, а его крутизну наклона, которая конечно же больше у моторов с большим kV из-за их большей макс. скорости. То есть обороты мотора с большим kV падают быстрее (и часто существенно!) при изменении нагрузки, что Вы и ощущаете.
Сопротивление провода расчитывают по данной формуле:
где R — сопротивление, Ом; ρ — удельное сопротивление, (Ом•мм2)/м; L — длина провода, в
метрах; S — площадь сечения провода, мм^2
удельное сопротивление меди ρ = 0,017 (Ом•мм2)/м
Соответсвенно для определения длины провода пользуются формулой
Если известен диаметр провода d, то его площадь сечения равна:
Расчетная таблица толщины провода
Плотность тока является измерение электрического тока (заряда потока в амперах) на единицу площади поперечного сечения (м2).
J = I / S
J = плотность тока в амперах /м2
I = ток через проводник, в амперах
S = площадь поперечного сечения проводника
Ток 10А протекает через медный провод площадью п/c 0.5176 мм2 (AWG20 0.8118mm) , Какова плотность тока? Ответ:
Ток через проводника I = 10А
Площадь провода S = 0.5176 mm2
J = I / S =10/0.5176= 19.31 А/mm2
В электротехнике максимально продолжительная плотность тока для медного одножильного провода равна 10А/mm2 при T+15C в неподвижном воздухе.
Слева таблица веса медного провода от сечения
В ряде случаев, помимо диаметра или сечения бывает необходимо знать также и вес провода, который нужен для изготовления того или иного прибора. Если известен диаметр, провода (медного), то вес одного метра в граммах можно определить с большой точностью. по простой формуле: Р = 7 d^2. (d в квадрате) Если же известно сечение, то вес одного метра составит: Р = 8,9 q. В этих формулах диаметр в mm, а сечение в mm2.
| Обновлен 09 июл 2019. Создан 01 июл 2019
| |||||||||||||||||||
