Как сделать бесколлекторный двигатель своими руками

Создание и тестирование бесколлекторного мотора / Хабр

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Несколько первых прототипов

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

потребляемый ток;
потребляемое напряжение;
потребляемая мощность;
выходная мощность;
обороты вала;
момент на валу;
КПД;
мощность уходящая в тепло;
температура внутри мотора.

Видео демонстрирующее работу стенда:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Как работает бесщеточный электродвигатель?

В статье «Как работают электродвигатели» объясняется, как работают щеточных электродвигателей . В типичном двигателе постоянного тока есть постоянные магнита снаружи и вращающаяся якоря внутри. Постоянные магниты являются стационарными, поэтому их называют , статор . Якорь вращается, поэтому он называется ротором и .

Якорь содержит электромагнит .Когда вы запускаете электричество в этот электромагнит, он создает магнитное поле в якоре, которое притягивает и отталкивает магниты в статоре. Таким образом, арматура вращается на 180 градусов. Чтобы он вращался, вы должны изменить полюса электромагнита. Щетки справляются с этим изменением полярности. Они вступают в контакт с двумя вращающимися электродами, прикрепленными к якорю, и изменяют магнитную полярность электромагнита при его вращении.

Эта установка работает, ее просто и дешево изготовить, но у нее много проблем:

Щетки со временем изнашиваются.
Поскольку щетки создают / разрывают соединения, вы получаете искрение и электрический шум.
Щетки ограничивают максимальную скорость двигателя.
Наличие электромагнита в центре двигателя затрудняет его охлаждение.
Использование щеток ограничивает количество полюсов арматуры.

С появлением дешевых компьютеров и силовых транзисторов стало возможным «вывернуть двигатель наизнанку» и устранить щетки.В бесщеточном двигателе постоянного тока (BLDC) вы надеваете постоянные магниты на ротор и перемещаете электромагниты к статору. Затем вы используете компьютер (подключенный к мощным транзисторам) для зарядки электромагнитов при вращении вала. Эта система имеет все преимущества:

Поскольку компьютер управляет двигателем вместо механических щеток, это более точно. Компьютер также может учитывать скорость двигателя в уравнении.Это делает бесщеточные двигатели более эффективными.
Нет искрения и гораздо меньше электрических помех.
Нет щеток для износа.
С помощью электромагнитов на статоре их очень легко охлаждать.
Для более точного управления на статоре может быть много электромагнитов.

Единственным недостатком бесщеточного двигателя является его более высокая начальная стоимость, но вы часто можете возместить эту стоимость за счет большей эффективности в течение срока службы двигателя.

Для получения дополнительной информации о бесщеточных двигателях, проверьте ссылки, которые следуют.