Criação e teste de um motor brushless. Motores CC sem escova

Neste artigo, gostaríamos de falar sobre como criamos um motor elétrico do zero: desde a ideia e o primeiro protótipo até um motor completo que passou em todos os testes. Se este artigo lhe parecer interessante, iremos separadamente, com mais detalhes, falar sobre as etapas de nosso trabalho que mais lhe interessam.

Na foto da esquerda para a direita: rotor, estator, montagem parcial do motor, montagem do motor

Introdução

Hoje, graças ao desenvolvimento da eletrônica moderna e ao surgimento de poderosos ímãs baseados em metais de terras raras, é possível criar motores elétricos "Brushless" cada vez mais potentes e, ao mesmo tempo, compactos e leves. Ao mesmo tempo, devido à simplicidade de seu design, são os motores elétricos mais confiáveis ​​já criados. Sobre a criação de tal motor e será discutido neste artigo.

Descrição do motor

O primeiro desses motores foi impresso por nós em uma impressora 3D como um experimento. Em vez de placas especiais feitas de aço elétrico, para a carcaça do rotor e o núcleo do estator, nas quais a bobina de cobre foi enrolada, usamos plástico comum. Ímãs de neodímio de seção retangular foram fixados no rotor. Naturalmente, esse motor não era capaz de fornecer potência máxima. Porém, isso foi o suficiente para o motor girar até 20k rpm, após o que o plástico não aguentou e o rotor do motor se partiu e os ímãs se espalharam. Este experimento nos inspirou a criar um motor completo.

Vários protótipos iniciais

Fizemos o rotor do novo motor a partir de um único ímã de neodímio em forma de cilindro. O ímã foi colado com epóxi a um eixo usinado em aço-ferramenta em uma planta piloto.

Cortamos o estator com um laser de um conjunto de placas de aço do transformador com 0,5 mm de espessura. Cada placa foi cuidadosamente envernizada e, em seguida, o estator acabado foi colado a partir de cerca de 50 placas. As placas foram envernizadas para evitar um curto-circuito entre elas e para excluir perdas de energia devido a correntes de Foucault que poderiam ocorrer no estator.

A carcaça do motor era feita de duas peças de alumínio na forma de um recipiente. O estator se encaixa perfeitamente na caixa de alumínio e adere bem às paredes. Este projeto fornece um bom resfriamento do motor.

Medição de desempenho

O elemento principal do estande é uma carga pesada na forma de uma arruela. Durante as medições, o motor gira a determinada carga e a potência de saída e o torque do motor são calculados a partir da velocidade angular e aceleração.

Para medir a velocidade de rotação da carga, são utilizados um par de ímãs no eixo e um sensor digital magnético A3144 baseado no efeito Hall. Claro, seria possível medir as rotações por pulsos diretamente dos enrolamentos do motor, já que este motor é síncrono. Porém, a opção com sensor é mais confiável e funcionará mesmo em velocidades muito baixas, nas quais os pulsos ficarão ilegíveis.

Além das revoluções, nosso estande é capaz de medir vários outros parâmetros importantes:

• fornecer corrente (até 30A) usando um sensor de corrente baseado no efeito Hall ACS712;
• tensão de alimentação. Medido diretamente através do ADC do microcontrolador, através de um divisor de tensão;
• temperatura interna/externa do motor. A temperatura é medida por meio de uma resistência térmica semicondutora;

Como resultado, nosso estande é capaz de medir as seguintes características do motor a qualquer momento:

• corrente consumida;
• tensão consumida;
• consumo de energia;
• potência de saída;
• revoluções do eixo;
• momento no eixo;
• potência saindo em calor;
• temperatura no interior do motor.

Resultado dos testes

Então nosso motor já foi testado. Naturalmente, ele conseguiu mostrar melhor eficiência (65% contra 45%) e ao mesmo tempo mais torque (1200 contra 250 g por cm) do que um motor convencional. A medição da temperatura também deu resultados bastante bons, durante o teste o motor não esquentou acima de 80 graus.

Mas no momento as medições ainda não são definitivas. Não foi possível medir o motor em toda a faixa de RPM devido a limitações da fonte de alimentação. Também temos que comparar nosso motor com motores semelhantes de concorrentes e testá-lo “em batalha”, colocá-lo em um carro de corrida controlado por rádio e competir em competições.

O princípio de funcionamento de um motor brushless DC (BKDP) é conhecido há muito tempo e os motores brushless sempre foram uma alternativa interessante às soluções tradicionais. Apesar disso, essas máquinas elétricas encontraram ampla aplicação na tecnologia apenas no século XXI. O fator decisivo na introdução generalizada foi a redução múltipla no custo da eletrônica de controle de acionamento BDKP.

Problemas do motor do coletor

Em um nível fundamental, o trabalho de qualquer motor elétrico é converter energia elétrica em energia mecânica. Existem dois fenômenos físicos principais subjacentes ao projeto de máquinas elétricas:

O motor é projetado de forma que os campos magnéticos criados em cada um dos ímãs sempre interajam entre si, dando rotação ao rotor. Um motor DC tradicional consiste em quatro partes principais:

• estator (elemento fixo com um anel de ímãs);
• âncora (elemento rotativo com enrolamentos);
• escovas de carvão;
• colecionador.

Este projeto prevê a rotação da armadura e do comutador no mesmo eixo em relação às escovas fixas. A corrente passa da fonte por meio de escovas acionadas por mola para um bom contato até o comutador, que distribui a eletricidade entre os enrolamentos da armadura. O campo magnético induzido neste último interage com os ímãs do estator, o que faz com que o estator gire.

A principal desvantagem do motor tradicional é que o contato mecânico nas escovas não pode ser obtido sem atrito. À medida que a velocidade aumenta, o problema torna-se mais pronunciado. O conjunto do coletor se desgasta com o tempo e, além disso, é propenso a faíscas e é capaz de ionizar o ar circundante. Assim, apesar da simplicidade e baixo custo de fabricação, tais motores elétricos têm algumas desvantagens intransponíveis:

• desgaste da escova;
• interferência elétrica como resultado de faíscas;
• restrições à velocidade máxima;
• dificuldades com o resfriamento de um eletroímã rotativo.

O surgimento da tecnologia do processador e dos transistores de potência permitiu que os projetistas abandonassem a unidade de comutação mecânica e mudassem o papel do rotor e do estator em um motor elétrico CC.

O princípio de funcionamento do BDKP

Em um motor elétrico sem escovas, ao contrário de seu antecessor, o papel de um interruptor mecânico é desempenhado por um conversor eletrônico. Isso possibilita a implementação de um circuito "de dentro para fora" do BDKP - seus enrolamentos estão localizados no estator, o que elimina a necessidade de um coletor.

Em outras palavras, a principal diferença fundamental entre um motor clássico e um BDCT é que, em vez de ímãs estacionários e bobinas rotativas, o último consiste em enrolamentos estacionários e ímãs rotativos. Apesar de a própria comutação ocorrer de maneira semelhante, sua implementação física em acionamentos sem escova é muito mais complexa.

A questão principal é o controle preciso de um motor sem escovas, o que implica na sequência e frequência corretas de comutação de seções de enrolamento individuais. Este problema é construtivamente solucionável apenas se for possível determinar continuamente a posição atual do rotor.

Os dados necessários para processamento eletrônico são obtidos de duas maneiras:

• detecção da posição absoluta do eixo;
• medir a tensão induzida nos enrolamentos do estator.

Para implementar o controle da primeira maneira, os pares ópticos ou sensores Hall fixados ao estator, que reagem ao fluxo magnético do rotor, são os mais usados. A principal vantagem desses sistemas para coletar informações sobre a posição do eixo é seu desempenho mesmo em velocidades muito baixas e em repouso.

O controle sensorless para avaliar a tensão nas bobinas requer pelo menos uma rotação mínima do rotor. Portanto, em tais projetos, é fornecido um modo de partida do motor até a velocidade, na qual a tensão nos enrolamentos pode ser estimada e o estado de repouso é testado analisando o efeito do campo magnético nos pulsos de corrente de teste que passam por as bobinas.

Apesar de todas essas dificuldades de projeto, os motores brushless estão ganhando cada vez mais popularidade devido ao seu desempenho e um conjunto de características inacessíveis aos colecionadores. Uma pequena lista das principais vantagens do BDKP sobre os clássicos é a seguinte:

• sem perda de energia mecânica devido ao atrito das escovas;
• silêncio comparativo do trabalho;
• facilidade de aceleração e desaceleração de rotação devido à baixa inércia do rotor;
• precisão do controle de rotação;
• a possibilidade de organizar o resfriamento devido à condutividade térmica;
• capacidade de trabalhar em altas velocidades;
• durabilidade e confiabilidade.

Aplicação moderna e perspectivas

Existem muitos dispositivos para os quais o aumento do tempo de atividade é crítico. Nesses equipamentos, o uso de BDCT é sempre justificado, apesar de seu custo relativamente alto. Podem ser bombas de água e combustível, turbinas de resfriamento para condicionadores de ar e motores, etc. Motores sem escova são usados ​​em muitos modelos de veículos elétricos. Atualmente, os motores brushless têm recebido muita atenção da indústria automotiva.

Os BDKP são ideais para pequenos acionamentos operando em condições difíceis ou com alta precisão: alimentadores e transportadores de correia, robôs industriais, sistemas de posicionamento. Existem áreas em que os motores brushless dominam incontestavelmente: discos rígidos, bombas, ventiladores silenciosos, pequenos eletrodomésticos, unidades de CD/DVD. O baixo peso e a alta potência tornaram o BDCT também a base para a produção de modernas ferramentas manuais sem fio.

Pode-se dizer que um progresso significativo está sendo feito no campo de acionamentos elétricos. A queda contínua no preço da eletrônica digital criou uma tendência para o uso generalizado de motores brushless em substituição aos tradicionais.

Publicado em 11.04.2014

circuito regulador

O circuito é dividido condicionalmente em duas partes: a esquerda é um microcontrolador com lógica, a direita é a parte de energia. A seção de potência pode ser modificada para trabalhar com motores de potência diferente ou com tensão de alimentação diferente.

Controlador - ATMEGA168. Os gourmets podem dizer que bastaria e ATMEGA88, A AT90PWM3- seria “mais como Feng Shui”. Acabei de fazer o primeiro regulador “de acordo com o Feng Shui”. Se você tiver a oportunidade de se candidatar AT90PWM3- esta será a escolha mais adequada. Mas para minhas idéias, 8 kilobytes de memória definitivamente não eram suficientes. Então eu usei um microcontrolador ATMEGA168.

Este esquema foi concebido como uma bancada de testes. No qual deveria ser criado um regulador ajustável universal para trabalhar com vários “calibres” de motores brushless: tanto com sensores quanto sem sensores de posição. Neste artigo, descreverei o esquema e o princípio de operação do firmware do regulador para controlar motores brushless com e sem sensores Hall.

Nutrição

O circuito de alimentação é separado. Como os principais drivers requerem uma fonte de alimentação de 10 V a 20 V, é usada uma fonte de alimentação de 12 V. O microcontrolador é alimentado por um conversor DC-DC montado em um microcircuito. Você pode usar um regulador linear com uma tensão de saída de 5V. Supõe-se que a tensão VD pode ser de 12 V e superior e é limitada pelas capacidades do driver de chave e das próprias chaves.

PWM e sinais chave

na saída OC0B(PD5) microcontrolador U1 O sinal PWM é gerado. Ele entra nos interruptores JP2, JP3. Com esses interruptores, você pode selecionar a opção de aplicar PWM às teclas (superior, inferior ou todas as teclas). No diagrama, o interruptor JP2é definido na posição para fornecer um sinal PWM para as teclas superiores. Trocar JP3 no diagrama está definido para a posição para desabilitar o fornecimento de sinal PWM para as teclas inferiores. Não é difícil adivinhar que se você desligar o PWM nas teclas superior e inferior, obteremos uma “velocidade total à frente” permanente na saída, o que pode quebrar o motor ou o regulador no lixo. Portanto, não se esqueça de ligar a cabeça, trocando-os. Se você não precisa de tais experimentos - e sabe em quais chaves aplicará o PWM e quais não, simplesmente não faça trocas. Após as chaves PWM, o sinal é alimentado nas entradas dos elementos lógicos “&” ( U2, U3). A mesma lógica recebe 6 sinais dos pinos do microcontrolador PB0..PB5, que são sinais de controle para 6 teclas. Assim, os elementos lógicos ( U2, U3) impõe um sinal PWM nos sinais de controle. Se você tiver certeza de que aplicará o PWM, digamos, apenas aos interruptores inferiores, elementos desnecessários ( U2) pode ser excluído do circuito e os sinais correspondentes do microcontrolador podem ser enviados para os principais drivers. Aqueles. os sinais para os drivers das teclas superiores irão diretamente do microcontrolador e para os inferiores - através dos elementos lógicos.

Feedback (monitoramento da tensão da fase do motor)

Tensão da fase do motor C,V,você através de divisores resistivos W - (R17, R25), V - (R18, R24), U - (R19, R23) chega na entrada do controlador ADC0(PC0), ADC1(PC1), ADC2(PC2). Esses pinos são usados ​​como entradas do comparador. (No exemplo descrito em AVR444.pdf da empresa Atmel não comparadores são usados, mas medição de tensão usando ADC (ADC). Abandonei este método porque o tempo de conversão ADC não permitia motores de alta velocidade.) Os divisores resistivos são escolhidos de forma que a tensão aplicada à entrada do microcontrolador não exceda a tensão permitida. Nesse caso, os resistores 10K e 5K são divididos por 3. Ou seja. Quando o motor é alimentado por 12V. ao microcontrolador será fornecido 12V*5K/(10K+5K)=4V. Tensão de referência para o comparador (entrada AIN1) é fornecida pela metade da tensão de alimentação do motor através de um divisor ( R5, R6, R7, R8). Observe que os resistores ( R5, R6) pelo valor de face são iguais a ( R17,R25), (R18, R24),(R19, ​​R23). Além disso, a tensão é reduzida pela metade pelo divisor R7, R8, após o que vai para a perna AIN1 comparador interno do microcontrolador. Trocar JP1 permite alternar a tensão de referência para a tensão do “ponto médio” gerada pelos resistores ( R20, R21, R22). Isso foi feito para experimentos e não se justificou. Se não estiver precisando, JP1, R20, R21, R22 podem ser excluídos do diagrama.

Sensores de salão

Como o regulador é universal, ele deve receber sinais dos sensores Hall se for usado um motor com sensores. Presume-se que os sensores Hall sejam discretos, do tipo SS41. Também é possível utilizar outros tipos de sensores com saída discreta. Sinais de três sensores são recebidos através de resistores R11, R12, R13 em interruptores JP4, JP5, JP6. Resistores R16, R15, R14 atuam como resistores de pull-up. C7, C8, C9- capacitores de filtro. comuta JP4, JP5, JP6 o tipo de feedback do motor é selecionado. Além de alterar a posição dos interruptores nas configurações do programa do controlador, você deve especificar o tipo apropriado de motor ( sem sensor ou Sensorizado).

Medições de sinal analógico

Na entrada ADC5(PC5) através do divisor R5, R6 tensão de alimentação do motor. Esta tensão é controlada por um microcontrolador.

Na entrada ADC3(PC3) um sinal analógico é recebido do sensor de corrente. Sensor atual ACS756SA. Este é um sensor de corrente baseado no efeito Hall. A vantagem deste sensor é que ele não utiliza shunt, ou seja, possui uma resistência interna próxima de zero, portanto não gera calor sobre ele. Além disso, a saída do sensor é analógica dentro de 5V, portanto, sem nenhuma conversão, é alimentada na entrada do ADC do microcontrolador, o que simplifica o circuito. Se você precisar de um sensor com uma grande faixa de medição de corrente, basta substituir o sensor existente por um novo, sem alterar o circuito.

Se você quiser usar um shunt com um esquema de amplificação subsequente, correspondente - por favor.

sinais de comando

Sinal de velocidade do motor do potenciômetro RV1 entra na entrada ADC4(PC4). Preste atenção na resistência R9- desvia o sinal em caso de quebra de fio para o potenciômetro.

Além disso, há uma entrada RC sinal, que é universalmente usado em modelos de controle remoto. A seleção da entrada de controle e sua calibração é realizada nas configurações de software do controlador.

interface UART

Sinais TX, RX são usados ​​para ajustar o controlador e emitir informações sobre o estado do controlador - velocidade do motor, corrente, tensão de alimentação, etc. Para configurar o controlador, ele pode ser conectado à porta USB do computador usando . A configuração é feita através de qualquer programa de terminal. Por exemplo: Hiper terminal ou massa de vidraceiro .

Outro

Existem também contatos reversos - saída do microcontrolador PD3. Se esses contatos forem fechados antes de ligar o motor, o motor girará na direção inversa.

O LED que sinaliza o estado do regulador é conectado à saída PD4.

parte de energia

Principais drivers usados IR2101. Este driver tem uma vantagem - preço baixo. Adequado para sistemas de baixa corrente, para chaves poderosas IR2101 ficará fraco. Um driver aciona dois transistores MOSFET de canal “N” (superior e inferior). Precisamos de três desses chips.

As chaves devem ser selecionadas dependendo da corrente e tensão máximas da alimentação do motor (um artigo separado será dedicado à escolha de chaves e drivers). O diagrama mostra IR540, na verdade usamos K3069. K3069 projetado para tensão 60V e corrente 75A. Isso é um claro exagero, mas eu os comprei de graça em grandes quantidades (desejo a você essa felicidade também).

Capacitor C19 conectado em paralelo com a bateria de alimentação. Quanto maior sua capacidade, melhor. Este capacitor protege a bateria de surtos e as chaves de quedas de tensão significativas. Na ausência desse capacitor, você terá pelo menos problemas com as teclas. Se você conectar a bateria diretamente ao VD- uma faísca pode saltar. resistor de extinção de faíscas R32 usado quando conectado à bateria. Conectando imediatamente – ”pilhas, depois sirva“ + ” para um contato Antifaísca. A corrente flui através do resistor e lentamente carrega o capacitor. C19. Após alguns segundos, conecte o contato da bateria ao VD. Com uma fonte de 12V, você não pode fazer Antispark.

Recursos de firmware

• a capacidade de controlar motores com e sem sensores;
• para um motor sensorless, existem três tipos de partida: sem determinação da posição inicial; com a definição da posição inicial; combinado;
• definir o ângulo de avanço de fase para um motor sensorless em passos de 1 grau;
• a capacidade de usar uma das duas entradas de referência: 1-analógica, 2-RC;
• calibração de sinais de entrada;
• ré do motor;
• ajustar o regulador via porta UART e receber dados do regulador durante a operação (velocidade, corrente, tensão da bateria);
• Frequência PWM 16, 32 kHz.
• definir o nível do sinal PWM para ligar o motor;
• controle de voltagem da bateria. Dois limiares: limite e corte. Quando a tensão da bateria cai para o limite, a velocidade do motor diminui. Ao cair abaixo do limite de corte, ocorre uma parada completa;
• controle de corrente do motor. Dois limiares: limite e corte;
• amortecedor ajustável do sinal de condução;
• configuração de tempo morto para chaves

Operação do regulador

Inclusão

A tensão de alimentação do regulador e do motor é separada, então pode surgir a pergunta: em que sequência aplicar a tensão. Eu recomendo aplicar tensão ao circuito regulador. Em seguida, conecte a fonte de alimentação ao motor. Embora a outra sequência de problemas não tenha surgido. Assim, com o fornecimento simultâneo de tensão, também não houve problemas.

Após ligar, o motor emite 1 bipe curto (se o som não estiver desligado), liga e o LED fica aceso constantemente. O regulador está pronto para funcionar.

Para ligar o motor, aumente o valor do sinal de ajuste. Se for usado um potenciômetro de ponto de ajuste, o motor dará partida quando a tensão do ponto de ajuste atingir aproximadamente 0,14 V. Se necessário, o sinal de entrada pode ser calibrado, o que permite o uso de faixas de tensão de controle anteriores. Por padrão, o amortecedor do ponto de ajuste é definido. Com um salto acentuado no sinal de ajuste, a velocidade do motor aumentará suavemente. O amortecedor tem uma característica assimétrica. A reinicialização ocorre sem demora. Se necessário, o amortecedor pode ser ajustado ou desativado completamente.

lançar

A partida de um motor sensorless é realizada com o nível de tensão de partida definido nas configurações. No momento do lançamento, a posição do stick do acelerador não importa. Se uma tentativa de partida falhar, a tentativa de partida será repetida até que o motor comece a girar normalmente. Se o motor não pegar em 2-3 segundos, pare de tentar, remova o gás e prossiga para ajustar o regulador.

Se o motor parar ou o rotor for bloqueado mecanicamente, a proteção é ativada e o regulador tenta reiniciar o motor.

A partida de um motor com sensores Hall também é realizada usando as configurações para dar partida no motor. Aqueles. se você acelerar totalmente para dar partida no motor com sensores, o regulador fornecerá a tensão especificada nas configurações de partida. E somente depois que o motor começar a girar, a tensão total será aplicada. Isso é um tanto incomum para um motor com sensores, pois esses motores são usados ​​principalmente como motores de tração e, nesse caso, pode ser difícil atingir o torque máximo na partida. No entanto, este regulador possui um recurso que protege o motor e o regulador contra falhas se o motor for bloqueado mecanicamente.

Durante a operação, o controlador envia dados sobre velocidade do motor, corrente e tensão da bateria através da porta UART no seguinte formato:

E: tensão mínima da bateria: tensão máxima da bateria: corrente máxima: rotação do motor (rpm) A: tensão atual da bateria: corrente atual: rotação atual do motor (rpm)

Os dados são emitidos em intervalos de aproximadamente 1 segundo. Taxa de transferência na porta 9600.

Configuração do regulador

Para configurar o controlador, conecte-o ao computador usando . Taxa de transferência na porta 9600.

A transição do controlador para o modo de ajuste ocorre quando o controlador é ligado, quando o sinal de ajuste do potenciômetro é maior que zero. Aqueles. Para mudar o regulador para o modo de configuração, gire o botão do potenciômetro de configuração e, em seguida, ligue o regulador. O terminal exibirá um prompt na forma do símbolo “ > “. Então você pode inserir comandos.

O controlador aceita os seguintes comandos (em diferentes versões de firmware, o conjunto de configurações e comandos pode diferir):

h- exibindo uma lista de comandos;
? - Configurações de saída;
c– calibração do sinal de condução;
d– Restaurar as configurações para as configurações de fábrica.

equipe " ? ” imprime no terminal uma lista de todas as configurações disponíveis e seus valores. Por exemplo:

motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff =120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Você pode alterar a configuração desejada com o seguinte comando:

<настройка>=<значение>

Por exemplo:

pwm.start=15

Se o comando foi dado corretamente, a configuração será aplicada e salva. Você pode verificar as configurações atuais depois de alterá-las com o comando “ ? “.

As medições de sinais analógicos (tensão, corrente) são realizadas usando o ADC do microcontrolador. O ADC opera no modo de 8 bits. A precisão da medição é deliberadamente subestimada para garantir uma taxa de conversão de sinal analógico aceitável. Consequentemente, o controlador emite todos os valores analógicos na forma de um número de 8 bits, ou seja, de 0 a 255.

Finalidade das configurações:

Lista de configurações, sua descrição:

* – valor numérico do conversor analógico-digital de 8 bits.
Calculado de acordo com a fórmula: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Onde: você- tensão em Volts; R5, R6é a resistência dos resistores do divisor em ohms.

Assim que comecei a fazer modelagem de aeronaves, imediatamente me interessei por que o motor tem três fios, por que é tão pequeno e ao mesmo tempo tão potente e por que precisa de um controlador de velocidade ... O tempo passou e percebi tudo fora. E então ele se propôs a fazer um motor sem escova com as próprias mãos.

O princípio de funcionamento do motor elétrico:
A base do funcionamento de qualquer máquina elétrica é o fenômeno da indução eletromagnética. Portanto, se um loop com uma corrente for colocado em um campo magnético, ele será afetado por potência do ampere, o que criará um torque. O quadro começará a girar e parar na posição de ausência do momento criado pela força Ampere.

Dispositivo de motor elétrico:
Qualquer motor elétrico consiste em uma parte fixa - estator e parte móvel Rotor. Para iniciar a rotação, você precisa mudar a direção da corrente por sua vez. Esta função é executada Colecionador(escovas).

Um motor brushless é um motor CORRENTE DIRETA sem coletor, no qual as funções do coletor são executadas pela eletrônica. (Se o motor tiver três fios, isso não significa que ele é alimentado por CA trifásico! Ele é alimentado por "porções" de pulsos curtos de CC, e não quero dar choque, mas os mesmos motores que são usados ​​em coolers também são brushless, embora tenham apenas dois fios de alimentação DC)

Dispositivo de motor sem escova:
Inrunner(pronunciado "inrunner"). O motor possui enrolamentos localizados na superfície interna da carcaça e um rotor magnético girando em seu interior.


Outrunner(pronuncia-se "outrunner"). O motor possui enrolamentos fixos (internos) em torno dos quais o corpo gira com ímãs permanentes colocados em sua parede interna.

Princípio da Operação:
Para que um motor brushless comece a girar, a tensão deve ser aplicada aos enrolamentos do motor de forma síncrona. A sincronização pode ser organizada usando sensores externos (sensores ópticos ou Hall) e com base no EMF traseiro (sem sensor), que ocorre no motor durante sua rotação.

Controle sem sensor:
Existem motores brushless sem quaisquer sensores de posição. Nesses motores, a determinação da posição do rotor é realizada medindo a EMF na fase livre. Lembramos que a cada instante de tempo, “+” é ligado a uma das fases (A) e “-” potência é ligada à outra (B), uma das fases fica livre. Girando, o motor induz um EMF (isto é, como resultado da lei da indução eletromagnética, uma corrente de indução é formada na bobina) em um enrolamento livre. À medida que gira, a tensão na fase livre (C) muda. Ao medir a tensão na fase livre, você pode determinar o momento da mudança para a próxima posição do rotor.
Para medir essa tensão, é usado o método do "ponto virtual". O resultado final é que, conhecendo a resistência de todos os enrolamentos e a tensão inicial, você pode praticamente "deslocar o fio" para a junção de todos os enrolamentos:
Controlador de velocidade do motor sem escova:
Um motor brushless sem eletrônica é apenas um pedaço de ferro, porque. na ausência de um regulador, não podemos simplesmente aplicar tensão a ele para que ele comece a girar normalmente. O controlador de velocidade é um sistema bastante complexo de componentes de rádio, porque. ela deve:
1) Determine a posição inicial do rotor para ligar o motor
2) Acione o motor em baixas velocidades
3) Acelere o motor até a velocidade de rotação nominal (definida)
4) Mantenha o torque máximo

Diagrama esquemático do controlador de velocidade (válvula):


Os motores sem escova foram inventados no início do advento da eletricidade, mas ninguém poderia fazer um sistema de controle para eles. E somente com o desenvolvimento da eletrônica: com o advento de poderosos transistores semicondutores e microcontroladores, os motores brushless começaram a ser usados ​​​​na vida cotidiana (o primeiro uso industrial foi nos anos 60).

Vantagens e desvantagens dos motores brushless:

Vantagens:
-Frequência de rotação varia em uma ampla faixa
-Capacidade de usar em ambientes explosivos e agressivos
-Alta capacidade de torque
-Alto desempenho energético (eficiência superior a 90%)
-Longa vida útil, alta confiabilidade e maior vida útil devido à ausência de contatos elétricos deslizantes

Imperfeições:
-Sistema de gerenciamento do motor relativamente complexo
-Alto custo do motor devido ao uso de materiais caros no projeto do rotor (ímãs, rolamentos, eixos)
Feita a teoria, vamos à prática: vamos projetar e fabricar um motor para o modelo de voo MX-2.

Lista de materiais e equipamentos:
1) Fio (retirado de transformadores antigos)
2) Ímãs (comprados online)
3) Estator (cordeiro)
4) Eixo
5) Rolamentos
6) Duralumínio
7) Retração térmica
8) Acesso a lixo tecnológico ilimitado
9) Acesso a ferramentas
10) Braços retos :)

Progresso:
1) Desde o início decidimos:

Por que fazemos um motor?
Para o que ele deve ser projetado?
Onde estamos limitados?

No meu caso: estou fazendo um motor para um avião, então que seja de rotação externa; deve ser projetado para fornecer 1400 gramas de empuxo com uma bateria de três latas; Estou limitado em peso e tamanho. No entanto, por onde você começa? A resposta a esta pergunta é simples: da parte mais difícil, ou seja, com uma parte que é mais fácil de encontrar e tudo mais para encaixá-la. Eu fiz. Depois de muitas tentativas malsucedidas de fazer um estator de chapa de aço macio, ficou claro para mim que era melhor encontrar um. Encontrei-o em uma cabeça de vídeo antiga de um gravador de vídeo.

2) O enrolamento de um motor sem escovas trifásico é realizado com um fio de cobre isolado, cuja seção transversal determina o valor da intensidade da corrente e, portanto, a potência do motor. É inesquecível que quanto mais grosso o fio, mais revoluções, mas mais fraco o torque. Seleção de seção:

1A - 0,05 mm; 15A - 0,33 mm; 40A - 0,7 mm

3A - 0,11 mm; 20A - 0,4 mm; 50A - 0,8 mm

10A - 0,25 mm; 30A - 0,55 mm; 60A - 0,95 mm


3) Começamos a enrolar o fio nos postes. Quanto mais voltas (13) enroladas no dente, maior o campo magnético. Quanto mais forte o campo, maior o torque e menor o número de revoluções. Para obter altas velocidades, você precisa enrolar um número menor de voltas. Mas junto com isso, o torque também cai. Para compensar o torque, uma tensão mais alta é geralmente aplicada ao motor.
4) Em seguida, escolha o método de conexão do enrolamento: uma estrela ou um triângulo. Uma conexão estrela dá mais torque, mas menos voltas do que uma conexão delta por um fator de 1,73. (posteriormente foi escolhida uma conexão delta)

5) Escolha ímãs. O número de pólos do rotor deve ser par (14). A forma dos ímãs usados ​​é geralmente retangular. O tamanho dos ímãs depende da geometria do motor e das características do motor. Quanto mais fortes os ímãs usados, maior o momento de força desenvolvido pelo motor no eixo. Além disso, quanto maior o número de pólos, maior o momento, mas menos revoluções. Os ímãs no rotor são fixados com um adesivo hot melt especial.

Testei este motor em uma instalação de motor giratório que criei, que permite medir empuxo, potência e velocidade do motor.

Para ver as diferenças entre as conexões estrela e delta, conectei os enrolamentos de maneiras diferentes:

O resultado foi um motor correspondente às características da aeronave, cuja massa é de 1400 gramas.

Características do motor resultante:
Consumo atual: 34.1A
Corrente sem carga: 2.1A
Resistência do enrolamento: 0,02 ohms
Número de postes: 14
Faturamento: 8400 rpm

Reportagem em vídeo de um teste de motor em um avião ... Pouso suave: D

Cálculo da eficiência do motor:


Um indicador muito bom ... Embora pudesse ter sido ainda maior ...

Conclusões:
1) Os motores sem escova têm alta eficiência e eficiência
2) Os motores sem escova são compactos
3) Motores sem escova podem ser usados ​​em ambientes explosivos
4) A conexão estrela dá mais torque, mas 1,73 vezes menos voltas do que a conexão triângulo.

Assim, fazer seu próprio motor brushless para um aeromodelo acrobático é tarefa é viável

Se você tiver dúvidas ou algo não estiver claro para você, faça-me perguntas nos comentários deste artigo. Boa sorte a todos)

Este artigo detalha o processo de rebobinar um motor elétrico sem escova em casa. À primeira vista, esse processo pode parecer demorado e longo, mas se você olhar para ele, uma rebobinagem do motor não levará mais de uma hora.
O motor ficou sob o vento

materiais:
- Fio (0,3 mm)
- Verniz
- Termo retrátil (2 mm e 5 mm)

Ferramentas:
- Tesoura
- Cortadores de fio
- ferro de solda
- Solda e ácido
- Lixa (lima de agulha)
- Isqueiro

Etapa 1. Preparando o motor e o fio.

Retiramos a arruela de pressão do eixo do motor e retiramos o estator.

Como um fio é enrolado em 4 dentes com dois fios e existem apenas 12 dentes, precisamos de três fios duplos com cerca de 2,5 metros de comprimento. É melhor deixá-lo com uma margem do que não dar algumas voltas para o último dente.

Etapa 2. Enrolamento dos dentes do estator.

O enrolamento será dividido em três estágios, de acordo com o número de fios. Para não se confundir nas conclusões dos fios, pode-se marcá-los com pedaços de fita isolante ou remendo com inscrições.

Deliberadamente, não anexei fotos individuais de cada dente envolvido - os esquemas de cores dirão e mostrarão muito mais.

Fio nº 1:

Esquema de enrolamento

Fio nº 2:

Esquema de enrolamento

Fio nº 3:

Esquema de enrolamento

Etapa 3. Conectando os cabos de enrolamento.

Diagrama de conexão