Search in topic

Секреты Б.К. и Коллекторных моторов

Исходя из большого обилия моторных установок возникает вопрос какая из них будет наилучшей.

В последнее время попадается очень много противоречивых публикаций по использованию б.к. моторов. В данной теме я хочу затронуть аспекты применения электоромоторов на авто-моделях. В некоторых случаях это будет справедливо и для более широкого спектра применения.

По мере получения информации, буду стараться пополнять тему и участвовать в дискусии.

Для начала краткое введение для б.к. моторов

Датчиковый мотор

Преимущества

1. Почти 100% пусковой момент. Великолепная обратная связь о положении ротора

2. Очень малая вероятность застопорения

3. Простота в управлении

Недостатки

1. Магниты датчиков положения могут демагнитизироваться

2. Датчики положения могут быть повреждены

3. Дополнительные провода

4. Провода датчиков положения могут быть повреждены

Бездатчиковые

Преимущества

1. Отсутствие датчиков и магнитов

2. Более надежная установка

Недостатки

1. Очень трудно получить 100% пусковой момент. Возможно при измерении индуктивности каждой фазы мотора (но это очень зависит от динамических параметров) и т.д… Требует значительных исследовательских и производственных затрат. Но при выполнении обеспечивает требуемый результат

2. Строгая зависимость от нагрузки. Регулятор должен быть настроен и запрограммирован на конкрктную нагрузку/мотор.

3. Вероятность застопоривания мотора при внезапной нагрузке

Коллекторные

Преимущества

1. Простота исполнения и управления

2. 100% пусковой момент

Недостатки

1. Износ коллекторного узла

2. Низкий КПД в сравнении с б.к. моторами

Артур

Продолжение по теме.

Фазы б.к. моторов могут быть соединены звездой (Wye wind) или треугольником (Delta wind).

Звезда
В регуляторе каждая и фаз коммутируется полевиками к “+” и “-”. Мотор запускается по-фазно A-B, A-C, B-C, B-A, C-B, C-A и т.д. Магнит следует за вращающимся магнитным полем. Нужно заметить, что всегда 2 фазы коммутируются одновременно, только разные и ток чередуется полярностью. Сопротивление мотора равно сумме 2 фаз. Третья фаза всегда открыта.

Треугольник

При коммутации CA-AB, получаем большую часть энергии на одной фазе и остатки на стороне A-C-B, в основном потери. В итоге энергия поступает на одну фазу вместо двух на звезде, что транслируется в уменьшении в двое моментистой константы Kt мотора и увеличении в двое скоростной констатнты Kv.

Поэтому широкое примение находят соединения звездой, за исключением случаев когда требуется точность информации о положении в обоих направлениях. В реверсивных установках с потерями треугольника можно мериться, выигрывая в КПД и точности. Соединения треугольником также меньше чувствительно к изменению тайминга в отличии от звезды. Другими словами мотор будет работать одинаково хорошо в боих напрвлениях с любым таймингом (с потерями конечно).

Некоторые производители б.к. моторов позволяют менять конфигурацию фаз. В этом случае можно также изменить количество витков мотора без перемотки.
И манипулировать характеристиками мотора.

Артур

Продолжение…

Чуть подробнее о достоинствах б.к. моторов…

Удаление коллекторного узла дает следующие преимущества:

• КПД мотора растет за счет отсутствия шеток коллектора, трущиеся о коллектор (потери на трение, износ и т.д.)

• нет коллектора - нет электрошумов и радио помех

• не нужно чистить и следить за коллекторным узлом

• характеристики мотора практически не ухудшаются со временем (нет износа щеток)

Об одном преимуществе хотелось бы остановиться по-подробнее. Б.к. моторы имеют высокий КПД при более широком спектре выходной мощности. И причина этого кроется в том, что при холостом ходе привалируют потери в железе и на трении щеточного узла. Что в б.к. моторе из-за конструкции потери минимальны. На больших мощностях потери на щеточном узле опять доминируют, в то время как б.к. , имея более низкое сопротивление фаз более эффекимвны.

Также отсутствие механического контакта в коммутации б.к. мотора позволяет надежно оперировать на больших оборотах. Обычно в 2-3 раза больших оборотах. Таким образом можно получить необходимый момент используя редукторы и уменьшая вес или размер установки.

Относительная дороговизна б.к. моторов спровоцировала многих производителей на использование магнитов нового поколения и точность изготовления (зазор между ротором и статором уменьшается) на более высоком уровне. Что также улучшает характеристики б.к. моторов.

В то время как коллекторники выпускаются со старыми допусками. Очень мало компаний производящих коллекторники с новыми прибамбасами по очень высоким ценам.

Артур

Разбавим практической информашкой из опыта использования б.к. мотора на Е-Максе.

Установка с датчиковым мотором обсуждению не подлежит, т.к. всё понятно, а вот с бездатчиковой следует упомянуть некоторые моменты.

Первое самая распространненая установка Hacker C50 и Hacker Master Car регулятор. Е-Макс не имеет сцепления (что бы не вводить в заблуждение публику) и муфта сцепления (slipper-clutch) (что в общем-то не совсем правильно будет переведено) должна быть затянута до конца в противном случае сплавиться. Но вот зазоров в коробке и дифференциалах будет достаточно, для надежного старта бездатчикового б.к. мотора. (при использовании 72 зубового спура и 16 зубового пиньона 45-90 градусов вала мотора будет обеспечено (мотор успешно стартует при 5-15 градусах). Далее всё понятно надеюсь. При прыжках возможно “захлебывание” на приземлении, но практически маловероятно (наблюдалось один раз и регулятор пришел в себя тут-же), т.к. мощности мотора достаточно для прокрутки.

При использовании моторов и регуляторов Lehner результаты ещё лучше, но и цены не малые.

Также, хотелось отметить, что использование б.к. моторов с само-нулирующими полюсами (мотор прокручивается без усилия от руки, многие б.к. моторы тяжелы на прокрутку) позволяет получить е-макс с очень хорошим накатом.

С точки зрения какие по характеристикам моторы необходимо подбирать, зависит от конкретной модели и источника питания.

Для стандартного Е-Макса (до 4-5 кг) при 14.4В питании 8-10 витковый б.к. мотор будет оптимален, далее зависит от веса, питания и цели.

Артур

P.S. Подробности - по необходимости

Продолжение по Е-Максу…

Необходимо отметить, что при переходе на 450+Вт моторные установки требует особой подготовки. В противном случае продолжительность заезда будет очень короткой.
Что в это входит:

• выставка всех дифференциалов
• выставка КПП (замена шестерен на металл)
• замена пластиковых карданов на металлические CVD
• выведение зазора в местах крепления шестигранника привода и колесного диска
• свежая голова и хороший радиоприём 😃 (При хороших скоростях улетает из радиуса стандартной радиоаппаратуры)

Артур

Продолжим про Е-Макс…

В то же время хороший коллекторный мотор позволяет при малых затратах получить эффект близкий к б.к. моторам.

Спарку из двух Титанов на Е-Максе можно раскрутить до 500-600Вт в пике без видимых проблем и моторы прослужат ни 2-3 забега.
Для этого необходимо иметь регулятор на высокое напряжение (обсуждалось ранее и примеры приводились, если необходимо могу повторить позже) и добавить к двум 6-ти баночным батареям еще одну. С такими параметрами Е-Макс запросто выходит на уровень установки Hacker C50 + Hacker Master Car.
Минус - экстра батарея и вес. Плюс - стоимость.

Если же пойти в сторону офф-роуд с тяжёлыми песками, то установка с моторами от электро-дрелей - просто супер. При выборе мотора с 5-7 полюсами, Е-Макс на дерево залезет - ползком.
Только возникнет необходимость ограничивать пусковой ток. КПД мотора на низких оборотах желает лучшего, поэтому лучше ограничивать ток (ограничение момента будет не столь заметно на фоне обших потерь).

Артур

Продолжение по теории…

Упустил один из важных моментов.
Бесспорным достоинством б.к. моторов является возможность на-ходу изменять тайминг. Что не каждый регулятор способен делать, большинство позволяют установить зафиксированное значение перед использованием. В то время как некоторые способны изменять его автоматически в зависимости от нагрузки на валу и КПД. Что в коллекторном моторе сложно, а в некоторых случаях и невозможно.

Не знаю к месту или нет, но б.к. позволят использовать в условиях где искрообразование не доступно, а также погружение в жидкость не так критично. Да и отсутствие коллектора для охлаждения позволяет изготавливать моторы закрытого исполнения.

Артур

По теории…

Про частоту коммутации не заостривал, по причине того, что это доступно на регуляторах для коллекторных моторов тоже.

Где-то там в начале упоминалось о сложности с нахождением положения ротора относительно статора (или наоборот как вам нравиться). Так вот в недавнем прошлом для создания регуляторов использовались схемотехнические решения на дискретных элементах с алгоритмом встроенным в схему. Есть прииущества и недостатки в подобном подходе.
Далее появились программируемые чипсеты и возможность быстрой перерестройки алгоритмов заполонила рынок. Хочется поправить, возможность программно решать вопросы управления позволяет достичь высоких результатов, но и как правило дает возможность создавать неэффективные алгоритмы управления тоже.
Большинство алгоритмов доступных в интернете и в литературе базируются на простом использование датчиков положения (датчиковые, бездатчиковые суть близка), а вот решения с использованием комплекса индуктивность-обороты-ток-нагрузка практически нет. А эти решения могут быть при использовании чипсета со встроенным АЦП и несущей частотой от 40MHz.
Что в принципе доступно с использованием индустриальных FPGA.
Ну да это перебор думаю, для этой темы.

Артур

P.S.
В свободное время работаю над установкой для создания простого регулятора б.к. мотора для простых смертных. С простым интерфэйсом и без заморочек. Б.к. мотор Hacker C50 8S - по результатам будет апдэйт 😃

Недостатки

1. Магниты датчиков положения могут демагнитизироваться

2. Датчики положения могут быть повреждены

Я разбирал датчиковые мотры Астро-флайта и Граупнера - датчики на оптронах, размагничивание им по барабану.
Повредить датчики не разбирая мотор можно тока засовывая туда че-нить твердое на ходу. 😃
Переменный тайминг от нагрузки есть у коллекторных моторов Ultra.

Вообще то, еще год назад, когда только писалась статья по регуляторам хода, предполагалось появление статьи по электромоторам. И даже брались за нее американские соотечественники (не Артур), но, видно, не срослось. 😦
А жаль. Тема важная.

Артур
P.S.
В свободное время работаю над установкой для создания простого регулятора б.к. мотора для простых смертных. С простым интерфэйсом и без заморочек. Б.к. мотор Hacker C50 8S - по результатам будет апдэйт 😃

[snapback]101665[/snapback]

[/quote]
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________

Если можно подробней.

Я так понял, автор занимается проектированием сего девайса? Предлагаю алгоритм…
Управляя коммутацией фаз, ограничивать обороты в соответствии с сигналом управления… При этом стремиться понижать потребляемый ток, измеряемый устройством, подстраивая тайминги… Где - то так, хотя не удивлюсь, если именно так уже делается…
😃 Sorry!

Я разбирал датчиковые мотры Астро-флайта и Граупнера - датчики на оптронах, размагничивание им по барабану.

На старых Авеоксах 1404 были датчики холла…

Судя по отклику, тема имеет интерес.

Про инородные твердые предметы…

Да бы закончить полемику о датчиках, скажу, что есть и другие способы определения положения. Но ни в этом суть, главное знать и понимать устройство системы. А вывести из строя можно все-что угодно, включая опто-пары. Надежность системы падает с увеличением компонетов, состовляющих систему.

Что касается установки для разработки регулятора, то вот каков сценарий:

• изготовление стенда для обкатки мотора, мощностью до 1 кВт (85% выполнено)
• изготовление электрической измерительной аппаратуры
  планирую измерять ток по-фазно и общий, фазную индуктивность,
  по-фазную вольт-амперную характеристику
• изготовление силовой электрики для управления мотором
• написание программного обеспечения для всего этого 😃
• в конце выявление оптимального сценария для регулятора

В результате должна получиться установка для тестирования и проверки практически любого алгоритма работы и любого мотора. А далее возможна разработка для прошивки чипсета.

В настоящее время стенд представляет собой:

• основу для установки тестируемого мотора
• нагрузочный мотор с регулятором
• электро-сцепление и тормоз
• опто-пару с энкодэром для измерения оборотов

Измерительная аппаратура будет основана на продуктах National Instruments с использованием LabVIEW интерфэйса.

Силовая часть будет выполнена на драйверах для полевиков и IRF1404 полевиках.

Также есть планы по тестированию регуляторов известных производителей, и выяснение их ноу-хау или ни-хау 😃

Принимаю всевозможные советы и рекомендации.

Артур

Я так понял, автор занимается проектированием сего девайса? Предлагаю алгоритм…
Управляя коммутацией фаз, ограничивать обороты в соответствии с сигналом управления… При этом стремиться понижать потребляемый ток, измеряемый устройством, подстраивая тайминги… Где - то так, хотя не удивлюсь, если именно так уже делается…
😃 Sorry!

Хотелось бы посмотреть, что с этими параметрами происходит во время вращения. А там любой подход можем прокрутить.

Артур

Измерительная аппаратура будет основана на продуктах National Instruments с использованием LabVIEW интерфэйса.

Также есть планы по тестированию регуляторов известных производителей, и выяснение их ноу-хау или ни-хау 😃

Солидно!
Шульце тоже со стендом работает. Но у него еще и мощный багаж знаний по электротехнике. Он раньше занимался проектированием промышленных систем электропривода. Хорошая теоретическая база.
По тестированию: было бы интересно сравнить классические бесколлекторники с аутранерами по удельной мощности и удельному моменту. В т.ч., когда обычный бесколлекторник с редуктором. Как в мини- так и в большом классе.
На эту тему много споров, а тестовые сравнения были бы многим интересны.
Удачи!

• изготовление силовой электрики для управления мотором
• написание программного обеспечения для всего этого 😃
• в конце выявление оптимального сценария для регулятора

А можно, наверное, вместо регулятора поставить и компьютер? Несколько килогерц он запросто даст, останется только драйвера повесить. С выходом по ТТЛ/LPT. В него же, разумеется, и сигналы датчиков/усилителей “бесдатчиковых” - с компом, вроде, попроще работать чем с МикроПроцессором и перепрограммированием… ☕

А можно, наверное, вместо регулятора поставить и компьютер? Несколько килогерц он запросто даст, останется только драйвера повесить. С выходом по ТТЛ/LPT. В него же, разумеется, и сигналы датчиков/усилителей “бесдатчиковых” - с компом, вроде, попроще работать чем с МикроПроцессором и перепрограммированием… ☕

На первом этапе будет использоваться компьютер, внимательнее читайте. В окончательном варианте будет не регулятор, а стенд для настройки и проверки мотор-регулятор системы перед прошивкой.

Использовать компьютерные порты напрямую очень плохо. Получить несколько кГц с него просто, а вот в режиме реального времени невозможно (таким образом прощай синхронизация). Для измерения таких параметров как Индуктивность, пиковый ток, нагрузку, ЭДС самоиндукции и т.д. необходимо измерять в несколько раз быстрее чем коммутиромая частота. Для примера 3 фазы с 2-50кГц должны измеряться 3*8*50=1.2МГц. Таким образов для успешного измерения 3 фаз с коммутацией от 2-50кГц необходимо иметь измерительную аппаратуру способную измерять с частотой вплоть до 1.2МГц.
Добавим к этому необходимо иметь хотя бы 12-бит АЦП. Как видно с компьтерными портами никакой удачи 😃 Хотя кое-какие функции он может выполнять 😃

Это более исследовательский стенд ( ОвэрКилл 😃 ) и многое в нем задумано более для сверки теории, многие возможности будут просто недоступны (да и не нужны) в окончательном регуляторе. В то время как информация послужит хорошим основанием для выявления причин не работоспособности или малой эффективности… имеющихся алгоритмов и создания новых.

Артур

После прогонки нескольких б.к. моторов думаю необходимо добавить мониторинг температуры мотора. Греется намного больше чем коллекторник на холостых и средних нагрузках.
Странно вроде…, но с другой стороны всё хорошо в сравнении ведь коллекторник имеет встроенный вентилятор по исполнению … 😃
Артур

Групповое использование б.к. и коллекторных моторов.

Параллельное соединение используют когда необходимо использовать мощность обоих моторов на 100%. Мощность на валу равна сумме мощностей двух моторов минус потери. Моторы могут быть задействованы на разные приводы.

Недостатки:

• низкий КПД на малых и средних нагрузках (где одиночный мотор на полной мощности будет эффективнее).
• уровень помех для приемника увеличивается
• дополнительная проводка

Преимущества

• При жестком соединении через шестерни, можно добиться удвоения полюсов, что в свою очередь повысит КПД, улучшить стартовые характеристики, обеспечит более плавную работу на малых оборотах. (Детально могу поделиться позже если не совсем понятен механизм и как его получить, справедливо только бля коллекторников и датчиковых б.к. хотя эффект на б.к. менее заметен)
• В некоторых случаях меньший вес
• меньше

Последовательное соединение используют когда мотор в дополнение к своей основной функции выполняет функцию дифференцирования. В таком случае мощность на валу не превышает мощность единичного мотора. Моторы могут быть задействованы на разные приводы.

Недостатки

• повышеное суммарное вн. сопротивление и связанные потери
• зависание щетки (отказ датчиков б.к. мотора) одного мотора выводит из игры другой мотор
• не приемлемо пока для бездатчиковых моторов

Преимущества

• заменение мех. диф. электро-магнитным
• возможность исполнения блокируемого дифа
• возможность исполнения ABS и тракшин контроль…

Применение первого и второго типа думаю очевидно.

Продолжение следует

Артур

Продолжение про групповое использование.

О регуляторах.

Если используется один регулятор, то он должен быть по мощности адекватен мощности моторов. Если используется регулятор на каждый мотор, то вопросу синхронизации и проводке нужно уделить особое внимание.

О возможных комбинациях и исключениях.

С коллекторниками все просто и понятно.

С б.к. моторами дела обстоят очень интересно. Полярные мнения сыпятся со всех сторон. Я попытаюсь примерить обе стороны, путем объяснения почему нельзя и почему работает если нельзя и почему не рекомендуют.

Сенсорные Б.К. моторы

Параллельное соединение возможно при жестком соединении валов, с синхронизацией сигналов с датчиков, и использовании датчиков с одного мотора. Можно использовать второй мотор без сенсорный, но синхронизацию будет произвести сложнее.

Последовательное соединение теряет смысл при жестком соединении валов.
За исключением случаев когда необходимо использовать низковольтовые моторы…

Безсенсорные Б.К. моторы

Параллельное соединение возможно при жестком соединении валов, с синхронизацией. Либо без жесткого соединения, но в таком случае один из моторов будет всегда ведущим, а второй ведомым. И при не равномерной нагрузке возможен сбой регулятора, т.к. на обратной связи регулятора будет присутствовать информация о положении с двух моторов, а возможностей у регулятора определить кто-есть-кто нет.

Последовательное соединение теряет смысл при жестком соединении валов.
За исключением случаев когда необходимо использовать низковольтовые моторы… А без жесткого соединения сложно даже представить, что будет на обратке регулятора.

Продолжение следует…

Артур