FAQ: бес-коллекторные моторы

FAQ: бес-коллекторные моторы

 

13 Комментарии
Владимир Фаршатов ( Arhat109
) Вчера в 13:25 (252 Показов)

В сети крайне мало внятных описаний работы, расчетов по перемотке и вообще по сему девайсу.
По мере понимания и возможности буду постепенно дополнять то, что дошло до самого, может кому-то будет полезно.

1. Бесколлекторник - это ДПТ или синхронный двигатель?

Ответ: смотря с какой стороны смотреть. И в том и другом магнитный поток ротора - переменный и синхронный, но в первом он формируется и синхронизируется специальным изделием - коллектором, а во втором такой подается извне. В этом плане важно в какой части рассматриваем бесколлекорник: вместе с контроллером или отдельно. Вот если отдельно, то его можно считать синхронной машиной - с какой частотой подается ток, с такой частотой и вращается ротор. А вот если рассматривать вместе с контроллером - то это ДПТ и все формулы для расчета ДПТ верны и для бесколлекторного мотора.
Без уточнения “кочки зрения” - верны оба утверждения.

2. 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.

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, 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 фактически 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 = его сжечь 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 Rобм = 4Rзуба, Lобм=4Lзуба;
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.

                                                                           Сообщение от **Saire**

Ну одна фаза может быть или нулем, или плюсом, наверное все таки постоянный ток?

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” (Звэр-мотор) от “ну не шмогла я!”. Какие рекомендации и выводы можно сделать из выше сказанного?

а) из п.2 следует, что “моща” 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 “звэр” 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 “звэр” 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 и “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. Так 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*витков) 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 больший момент, 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. Ещё можно встретить название “мягкая характеристика мотора” (=большая крутизна).