Мотор без сердечника что это
Создание и тестирование бесколлекторного мотора
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.
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:
В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:
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.
Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы
Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.
Общие сведения, устройство, сфера применения
Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.
Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя
Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.
Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).
Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)
Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).
Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе
Принцип работы
В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.
Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.
Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя
Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.
Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный
Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.
Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.
Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.
Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.
Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.
Как запустить бесколлекторный двигатель?
Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.
Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма
Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:
Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.
Управление бесколлекторным двигателем
Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.
Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока
Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).
Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:
В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.
Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем
Преимущества и недостатки
Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:
Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.
Электродвигатели без сердечника
♦ Микро DC (постоянного тока) двигатели без сердечника — «маленькие и высокоэффективные» серийные двигатели, выполненные путём применения точной усовершенствованной технологии механической обработки, которые дают более высокие результаты выходных параметров.
♦ В дополнение к существующему f 12 — 17.55 рядов, f 10, f 21 и f 24 двигатели без сердечника были разработаны для использования в более широких приложениях.
♦ Двигатели без сердечника имеют более низкую инерцию ротора, чем двигатели с железным сердечником. Также у этих электромоторов пониженный уровень вибрации и шумов и лучшая управляемость при использовании их в качестве серводвигателей.
♦ большое разнообразие комбинации с магнитными/оптическими угловыми кодерами и различным gearheads возможны для наших двигателей без сердечника.
♦ Наши двигатели без сердечника в состоянии разработать настроенные на обычай спецификации для материалов кисти, обмотки, шарикоподшипников, и т.д.
|
|
| Coreless двигатель (1) Клеммы |  |
| Ядро двигателя Железо (1) Клеммы |  |
Моторы без сердечника (Coreless Motor) обладают меньшей инерцией ротора, чем приводы с железным сердечником. Так же благодаря отсутствию пульсации вращающего момента у них более низкий уровень вибрации и шума, лучше управляемость. Как правило, используются в четырех-осных летательных аппаратах.
Источник: CITIZEN MICRO Co.,Ltd.
DC Motor Division
15-1,2 Choume,Fujimi,
Sayama City,Saitama,
350-1306,Japan
https://www.citizen-micro.com/tec/corelessmotor.html
Неодимовый 8520 мотор Coreless
Коллекторные и бесколлекторные моторы
Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.
Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.
Особенности:
• Высокий крутящий момент;
• Низкий вес и малый объем;
• Низкое потребление энергии;
• Высокая скорость.
Спецификация:
Диаметр мотора: 6 мм;
Длина мотора: 12 мм;
Размер вала: 0,8х7мм;
Длина провода: 7,5 см;
Вес мотора: 5 г;
Ток: 100мА;
Напряжение: 3,7 В;
Скорость: 45000об / мин;
Изменение двигателя решается вопрос.
Двигательные части, слева направо: камине, магнит поддерживает оба подшипника (сухие латунные подшипники), ротор и заднюю часть с щетками коллектора.
Мотор без сердечника что это
Коллекторные и бесколлекторные моторы
Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.
Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.
Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно. Преимущества те же что и у остальных бесколлекторных моторов: нет щёток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Сервоприводы с бесколлекторным мотором — самые дорогие сервоприводы, однако при этом они обладают лучшими характеристиками по сравнению с сервоприводами с другими типами моторов.
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.004 сек.)
Главное меню
 | Новости |
| Фотогалерея |
| Статьи |
| Форум |
| ФАМС СПб |
| Клуб RC-Auto |
| Куда Вы попали |
| Календарь |
| Партнеры |
| «ДОСААФ России» СПб |
Фотогалерея
 |  | |
 |  | |
|  |
| | |
|  | |
| |
| | |
|  | |
| |
Обои рабочего стола
| | |
|  | |
| |
Всероссийские соревнования на призы УрФО 2008
Реклама на сайте
Реклама на сайте
Реклама на сайте
Реклама на сайте
Реклама на сайте
Как выбрать подходящий сервопривод?
Как выбрать подходящий сервопривод?
Автор статьи: Stephen Bess.
Автор перевода: Владислав Ярополов.
| | |
|  | |
|  |
Металлические и пластмассовые шестерни
Зубчатая передача в сервоприводах может быть изготовлена из пластмассовых или из металлических шестерен. У обоих типов есть свои плюсы и минусы, в зависимости от области применения. Основным отличием является то, что металлическая зубчатая передача намного прочнее и более устойчива к разрушению, чем пластмассовая зубчатая передача. Металлические шестерни, однако, иногда могут вызывать помехи с некоторыми приемниками или ESC, и они могут со временем изнашиваться.
| | |
|  | |
| |
Стандартные моторы и моторы без сердечника
Без углубления в технические подробности, сервоприводы без сердечника (coreless) и стандартные сервоприводы так названы благодаря внутренней конструкции своих моторов. Стандартный мотор с сердечником обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Когда мотор вращается, ротор (который имеет несколько секций) вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с coreless-мотором (мотор с полым ротором). Мотор с полым ротором, с другой стороны, обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита, как в сервоприводах Hitec и Airtronics. Конструкция с полым ротором легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Конечно, моторы с полым ротором более дороги в изготовлении, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными сервоприводами.
| | |
|  | |
| |
Цифровые сервоприводы включают в себя высокочастотный контроллер мотора, который позволяет им точно устанавливать положение, удерживать положение под нагрузкой, и обеспечивать ровный и быстрый отклик. К сожалению, на управлении газом/ тормозом, некоторые цифровые сервоприводы не служат так же долго, как аналоговые, так как цифровой контроллер продолжает подавать ток в сервомотор даже в положениях полного газа или на холостом ходу. Это своеобразное короткое замыкание может вызвать более быстрый выход из строя. Аналоговые сервоприводы, с другой стороны, используют обычные контроллеры сервомоторов, которые менее точные и обеспечивают меньшую ровность хода, но они более доступные и более долговечные, когда используются для управления газом.
| | |
|  | |
| |
Управляющий провод сервопривода получает импульсы некоторой ширины, которая определяет положение, в которое должен переместиться выходной вал. Потенциометр распознает текущее положение выходного вала, и подает напряжение на сервомотор до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое положение. Более высокое напряжение означает более высокую скорость и более высокий вращающий момент.
| | |
|  | |
| |
Шарикоподшипники и втулки
Все сервоприводы имеют выходной вал, который должен пройти через корпус сервопривода, через пластиковую втулку или металлический шарикоподшипник. Сервопривод работает более точно и более ровно, когда он снабжен шарикоподшипником на выходном валу. Сервоприводы с шарикоподшипниками также меньше изнашиваются и остаются более точными, чем сервоприводы со втулками, так как пластиковые втулки со временем изнашиваются и появляется люфт между выходным валом и корпусом. Хотя сервоприводы с шарикоподшипниками стоят дороже, но лучше приобретать сервоприводы с шарикоподшипниками, когда это только возможно, вне зависимости от области применения.
| | |
|  | |
| |
Высокая скорость и высокий вращающий момент
Для большинства случаев, чем сервопривод мощнее и быстрее, тем лучше. Однако, высокоскоростные сервоприводы лучше использовать тогда, когда требуется чрезвычайно быстрый отклик на действия пилота. Большинство пилотов не понимают, что сервопривод может быть слишком быстрым для их собственных рефлексов, а это делает модель неустойчивой и более трудной в управлении. Поскольку скорость важна при работе рулевого управления, это и есть то место, где скорость сервопривода наиболее важна. Крутящий момент здесь тоже важен, особенно для тяжелых моделей. Возможность быстро изменять направление и удерживать его является ключевым моментом в выполнении маневров.
| | |
|  | |
| |
Как классифицируются сервоприводы
Наиболее очевидной и доступной информацией о конкретном сервоприводе является его скорость и крутящий момент. Для почти всех сервоприводов доступна следующая информация: производитель, название и номер, скорость перекладки и крутящий момент при напряжениях питания 4,8 и 6,0 вольт. Вы также можете прочитать о металлических и пластиковых шестернях, цифровой и аналоговой обработке, о моторе без сердечника (coreless).
Скорость и крутящий момент
Скорость сервопривода измеряется интервалом времени (в секундах), который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться по дуге в 60º при напряжении питания 4,8 или 6,0 вольт. Поэтому сервоприводу оцененному в 0,22 с/60? потребуется 0,22 секунды для поворота на 60º. Это кажется быстрым, но не тогда, когда вы рассматривает некоторые самые быстрые сервоприводы, которые могут повернуться на такой угол за интервал от 0,06 до 0.09 секунды!
Крутящий момент определяется величиной веса в унциях (или килограммах), который сервопривод может стабильно удерживать на рычаге в 1 дюйм (или 1 сантиметр) в горизонтальном положении, при напряжении питания в 4,8 или 6,0 вольт. В результате получается результат, которое выглядит примерно так: сервопривод XXX = 100 oz/in. (6.0 V) или 7,2 кг/см при 6,0 вольт. Это означает, что сервопривод XXX способен без особого отклонения удерживать груз в 100 унций на выходном рычаге длиной 1 дюйм при напряжении питания 6,0 вольт.
| | |
|  | |
| |
Перед выходом на поле, будет неплохой идеей загерметизировать сервопривод для защиты от повреждения влагой. Многие высококачественные сервоприводы поставляются загерметизированными с помощью прокладочных резиновых колец, но дополнительная обработка никак не повредит, а только добавит надежности.
1. Очистите сервопривод, если он не новый. Вытрите любой песок и грязь, затем обрызгайте сервопривод очистителем или денатурированным спиртом для удаления масел и загрязнений на корпусе.
| | |
|  | |
| |
2. Используйте небольшое количество силиконового герметика вокруг входа шлейфа в корпус сервопривода. Промажьте силиконом все щели и отверстия для винтов в корпусе сервопривода. Дайте силикону полностью высохнуть перед использованием сервопривода.
| | |
|  | |
| |
3. Нанесите небольшое количество густой смазки вокруг выходного вала и установите качалку. Смазка защитит подшипники или втулки от проникновения влаги.
| | |
|  | |
| |
Существует ли идеальный сервопривод? Это зависит от того, кого вы спрашиваете, и для какого применения вы его приобретаете. В идеале, «идеальный» сервопривод будет перемещаться так быстро, как это вам необходимо, будет обеспечивать достаточный вращающий момент, будет хорошо удерживать заданное положение и обеспечит высокую точность, при минимально цене. Как вы знаете, однако, такой сервопривод еще не изобретен, а каждая компания прикладывает все усилия, чтобы убедить вас, что ее сервоприводы лучше всех остальных.
| | |
|  | |
| |
В заключение, правильный выбор сервопривода приходит с опытом и зависит от ваших собственных нужд, так как не имеет значения какие именно характеристики или цены нарисованы на коробке, это не имеет смысла, если сервопривод не выполняет необходимой задачи.