Перемотка бесколлекторного двигателя

Автор данной статьи Дмитрий Шохов, за что ему огромное спасибо. Размещена в моём дневнике для личной информации и распостанению не подлежит.
penolet.ru/content/110

Теория и практика
Недавно мне пришел двигатель 2211 1700об.в, не способный раскрутить нужный мне винт. После некоторых тестов был поставлен диагноз: где-то подкорачивает обмотку. Можно было просто оставить его на запчасти но мне захотелось его перемотать. Статей о перемотке двигателей на русском языке очень мало, и вот я, начитавшись заморских сайтов решил написать свое пособие по перемотке бесколлекторных двинателей.
Основным материалом для данной статьи послужили материалы сайта http://www.gobrushless.com
Итак, начнем. Для начала нужно определиться с проводом для намотки.
**Выбор провода. Сколько жил и какой толщины. **

Обычно,для намотки двигателей используется медный эмалированный провод. (ПЭВ-2). Такой провод можно купить на радио рынке и в магазинах с электронными компонентами.
С увеличением мощности мотора, требования к качеству провода сильно возрастают. Для решения этой проблемы некоторые используют несколько более тонких проводов вместо одного толстого. В этом есть несколько приемуществ:
1 - Толстый провод сложнее наматывать.
2 - На больших частотах возможно появление скин-эффекта (поверхностный эффект)

Вкратце, скин эффект это явление, когда электроны, протекающие через медный провод, двигаются только по поверхности провода. В этом случае центральная часть провода просто не используется и превращается в нежелательный вес. Проявляется этот эффект с увеличением частоты.
Применительно к нашим БК моторам этот эффект обсуждался несколько раз. Есть сторонники и того и другого лагеря.
Я думаю, что частоты в наших моторах не так велики и об этом эффекте можно не думать.
Для получения максимального КПД от мотора, необходимо стремиться получить как можно меньшее сопротивление обмоток. Чем меньше сопротивление, тем меньше потери в обмотке и тем выше эффективность мотора. Для достижения этой цели необходимо использовать как можно более толстый провод. Но толстый провод - означает меньшее количество витков и меньший крутящий момент.Пока вам не нужно сделать очень высокоскоростной двигатель, старайтесь намотать как можно больше витков для создания большего крутящего момента.
Слишком тонкий провод дает большое сопротивление, и вы не сможете пропустить нужный ток через двигатель. Если просто поднять напряжение, по закону Ома произойдет увеличение тока. Но потери в обмотках(нагрев) сильно возрастут , что приведет к разрушению двигателя. Т.е. для получения нужной мощьности - необходимо выбирать провод нужного диаметра.
Для модельных двигателей обычно используется провод диаметром 0.3-0.6 мм. Более тонкий провод позволяет намотать больше витков но и имеет большее сопротивление. Определить сопротивления вашего двигателя не так легко как кажется. Не пытайтесь измерить сопротивление менее 1 Ом, если у вас нет специального оборудования. Обычные цифровые мультиметры не предназначены для измерения таких низких сопротивлений.

Чтобы сделать жизнь немного проще, можно прогнозировать, сопротивление вашего двигателя путем измерения общей длины провода, а затем рассчитывать сопротивление, используя данные из таблицы. Таким образом, можно получить представление о том, какое сопротивление будет имеет ваш двигатель.
Я зашел в магазин “Чип и Дип” и купил катушку провода 0.4мм фирмы velleman. Надо сказать, что катушка 67 метров стоит 500р при простом походе в магазин и 380р при заказе через интернет. Так, что есть смысл сделать предзаказ.
Намотка мотора

Перемотка моторов - дело непростое. Потребуется довольно много практики, чтобы получилось красиво и качественно. В первый раз может потребоваться очень много времени.

Намотать 20 витков тонким проводом на зуб может оказаться довольно просто, но мы пытаемся намотать от 10 до 30 витков соответствующей толстой проволокой, что не всегда так просто.
Хитрость заключается в том, чтобы закрепить статор в какое нибудь приспособление, а затем, используя обе руки, наматывать витки с нужным усилием, чтобы обмотки получались более компактными. Это чрезвычайно важно, так как первый слой обмотки должны поддерживать следующие один или два слоя. Если первый слой намотан свободно, следующий слой может ложиться между обмотками первого слоя. Это создает общий беспорядок, и вы никогда не получите максимальное количество витков на зуб.

Правильно намотанный зуб имеет плотно уложенные слои и витки, которые должны выглядеть красиво и опрятно.
Для достижения такого результата необходимо много практики!
Схема намотки статора с 9 зубами

Основная схема намотки приведена на картинке ниже.
Эта схема одна из самых простых с физической и логической точки зрения. Основной проблемой является подсчет количества намотанных витков. По началу вы будете постоянно сбиваться со счета, но это пройдет с практикой.
Как можно объяснить этот эскиз в текстовом формате?
Существует простая форма записи для обозначения намотки:
Обычно статор мотается 3 проводами. Назовем их ‘A’, ‘B’ и ‘С’. Если смотреть на статор сбоку, то намотка провода по часовой стрелке будет обозначена заглавной буквой, а намотка против часовой стрелки - маленькой.
Таким образом,на схеме намотки 9ти полюсного мотора мы должны мотать все зубья в одном направлении, один за другим что видно в текстовой схеме “ABCABCABC”. Девять букв, по одной букве для каждого зуба.
Итак берем провод, оставляем около 10 см, и мотаем первый зуб по часовой стрелке. Затем перекидываем провод на 4й зуб и мотаем его. И в заключение мотаем 7й зуб. Потом вторым проводом мотаем зубья 2, 5 и 8. И в завершение третьим проводом мотаем 3, 6 и 9 зубья.
Итак возьмем наш моторчик, и удалим с него старый провод. Он был намотан проволокой 0.3мм. Количество витков на оригинале было 24. (Как китайцы умудряются столько витков намотать? не представляю )) )

Теперь отмотаем метр провода 0.4мм и попробуем намотать по приведенной выше схеме:

Переход с зуба на зуб я заизолировал термоусадкой (где-то вычитал…)
Соединение проводов

Итак, у нас есть намотанный статор и из него торчит 6 проводов. Три провода из них - это начала обмоток, и 3 другие концы. Упс… Вы не уверены какие из них какие? В этом случае, необходимо было заранее маркировать провода в каком либо формате, чтобы пометить их начало. Для этого можно использовать кусочки скотча с надписанными буквами или скотч разного цвета.
Итак, у нас есть 6 концов, но только 3 из них подключаются к контроллеру скорости. Теперь, чтобы завершить перемотку необходимо выбрать схему подключения (базируясь на желаемом предназначении мотора).
Существует две конфигурации которыми можно соединить выводы статора:
Первая называется Звезда (Star или ‘Y’), а вторая - Треугольник (Delta).

Каждая конфигурация предлагает немного разные свойства и влияет на мощность мотора. Однако, изготовители двигателей еще не решили, какая схема является лучшим вариантом.
Диаграммы ниже показывают электрические схемы для этих соединений.
После этих картинок, сразу понятно почему эти схемы так называются.
Как правило, соединение “Треугольник” выбирается, если вы хотите получить высоко оборотистый мотор и соединение “Звездой” используется для получения более низких оборотов двигателя и позволяет использовать большие винты. В следующем разделе эта разница будет рассмотрена более подробно.
Если рассмотреть соединение Треугольником и подать напряжение на два вывода, во всех обмотках потечет ток. Для демонстрации того как ток распределиться между обмотками, предположим, что сопротивление одной фазы равно 1 Ом. В этом случае, у нас есть фаза А в 1 Ом, соединенная в паралель с 2мя другими фазами B и С (B и С соединены последовательно) сопротивлением в 2 Ома. По закону Ома можно подсчитать, что 2/3 всего тока пойдут через фазу А и оставшаяся 1/3 пойдет через фазы B и C. Результирующее сопротивление которое увидит контроллер будет 0,66 Ом.

Если мы соединим выводы по схеме Звезда, то весь ток будет всегда идти через 2 фазы в любой момент времени.
Результирующее сопротивление для регулятора будет 2 Ома.

Если мы нагрузим мотор напряжением в 10В, то получим ток около 15А при соединении Треугольником и всего лишь 5А при соединении Звездой. Надо сказать, что соединение треугольником в данном случае дает большую мощность. Так-же, мы получим большие токи, но усилие для поворачивания большого винта может оказаться недостаточным. Можно подать на мотор большее напряжение и все же заставить этот винт крутиться, но возможно, что мотор от этого опять сгорит.

В качестве примера:
Предположим, что у нас есть мотор он винчестера, и мы хотим получить от него необходимую тягу для 72" Piper Cub самолета. Чтобы мотор мог выдерживать большие токи, будем использовать 0.6 мм провод. После непродолжительных мучений, стало понятно, что больше 10-11 витков намотать этим проводом не получается.
Сначала, я соединил его звездой (т.к. я хотел получить больший крутящий момент). На 3х банках LiPo, с нужным мне пропеллером, удалось получить ток всего в 10А. Мощности мотора было явно мало и хотелось получить больше.
Мотор был переконфигурирован под схему Треугольник, что дало больше мощности. Больше тяги для полета, но вместе с этим и достаточно высокие токи, чтобы спалить мотор.
Что же делать в этой ситуации?
Самый верный способ, это подбор батареи с нужным напряжением. Соединение Звездой может спокойно потянуть 4 банки лития и в этой конфигурации выдать требуемую тягу. Для соединения треугольником, наоборот - необходимо уменьшить количество банок батареи.
В результате обе конфигурации выдадут примерно одну и ту-же мощность. (как ни крути)
Обороты и напряжение (об/В)

От того как вы намотаете мотор будет зависеть с какой скоростью он будет крутиться и какую батарею вам придется использовать для получения нужной тяги.
Если взять мотор без винта и дать полный газ на, скажем, 6В, мотор будет крутить на своих максимальных оборотах.
Если измерить эти обороты и поделить их на напряжение батареи, мы получим характеристику называемую Обороты на Вольт (RPM per Volt). После того как мы узнали эту характеристику мы уже сможем сказать, как быстро мотор будет крутить на нужном нам напряжении.

Например, наш мотор крутит 8000 Оборотов на 6В.

8000 / 6 = 1333 Об/в

В этом случае с батареей на 10В мотор будет выдавать 13330 Оборотов.
Эта характеристика помогает нам понять на что способен наш мотор, и подходит ли он для поставленной задачи.
Если нам нужен мотор для импеллера, тогда необходимо чтобы мотор имел более высокие Об/В.
Для 3D самолетов, необходимо вращать больший винт, и поэтому обычно используют моторы с более низким Об/В.

Под нагрузкой количество оборотов естественно упадет.

Возвращаясь назад к схемам Треугольника и Звезды. Имеется зависимость между этими двумя схемами и расчетом характеристики Об/В. Если вы соединили мотор звездой и измерили его обороты, вы можете подсчитать какие Об/В получатся при использовании схемы Треугольник и наоборот.
Для перевода от Звезды к Треугольнику надо домножить Об/В на 1.73
Для перевода от Треугольника к Звезде - домножить на 0.578

Таким образом, у нас появляется реальный инструмент для изменения характеристик мотора в зависимости от простой схемы подключения. Некоторые моделисты, зашли так далеко, что подключают все 6 проводов к небольшому блоку коммутации, что позволяет им менять схему в любое время.
Итак, как определить/рассчитать необходимое количество витков и оборотов/В перед намоткой двигателя?
Существуют специальные программы для расчета количества витков при определенных размерах статора и толщины зубов для получения нужного количества оборотов. Но в большинстве случаев, мы просто наматываем максимально возможное количество витков и измеряем параметры получившегося мотора. Используя полученные данные, уже можно понять устраивает нас такое положение дел или нет, и что делать для достижения цели. Метод “тыка” тоже работает достаточно хорошо.
Выводы:
В качестве инструкции можно привести несколько утверждений:
Чем больше витков намотано на зуб, тем большее магнитное поле будет получено на том-же токе.
Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов на вольт.
Для получения высоких Об/В, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.
Соединение Звездой дает больший крутящий момент и меньшее количество Об/В чем соединение Треугольником.
Последний штрих

Возвращаясь к моей моторке. Мне удалось намотать всего по 11 витков проволокой 0.4мм. С таким колиеством витков о соединении проводов треугольником можно сразу забыть. Итак, я зачистил эмаль с 3х выводов и спаял их вместе.
Оставшиеся 3 вывода были заправлены в термоусадку. Последним шагом я подпаял 2мм коннекторы.

Результаты тестов показали следующие характеристики:
Судя по параметрам - получилось где-то 2200 оборотов, тахометра не было под рукой.
GWS 6х3 тяга 270грамм 6А
GWS 7х3.5 тяга 330 грамм 8.2А
Вполне приемлемый результат.