|
Материал с сайта Радиоуправляемые модели от Василия Яйлияна
Бесколлекторные двигатели
В последнее время приходится часто встречать новый тип электромоторов - бесколлектоные (brushless). Всегда поражают их выдающиеся характеристики и заоблачная цена. Поскольку я получил несколько писем с вопросами по бесколлекторным двигателям, то попробую объяснить - что же это за моторы, какие преимущества они дают, почему же они так дорого стоят, и т.п.
Надеюсь, все примерно представляют себе устройство обычного коллекторного электродвигателя на постоянных магнитах? - Ротор с обмотками вращается внутри статора с постоянными магнитами, а обмотки коммутируются коллектором в зависимости от положения ротора. Теперь попробуйте "вывернуть наизнанку" - ротор-магнит вращается внутри статора с обмотками (который тоже набран из пластин, подобно ротору обычного мотора). Знакомая картина, правда? - Так выглядит 3-х фазный синхронный двигатель переменного тока. Почти также выглядит и асинхронный двигатель, разница только в конструкции ротора. Только нам нужно питать двигатель постоянным током и его обороты должны меняться подобно тому, как у коллекторного мотора - в зависимости от нагрузки и подводимого напряжения. А для этого надо переключать обмотки статора в зависимости от положения ротора. Датчиками положения ротора-магнита служат датчики Холла, сигнал с которых (пропорционален магнитному полю) усиливается и при помощи особой схемы переключает обмотки. Для 3-х полюсного статора и обычного магнита-ротора (2-х полюсного) эти датчики расположены по дуге -120 и 240 градусов - т.е. после усиления и дискриминации по уровню поля (обычными компараторами) получаем как раз 3 состояния в течение одного оборота, соответствующие переключению 3-х фаз.
Крепление датчиков обычно делается таким образом, чтобы их можно было поворачивать вокруг оси двигателя, настраивая оптимальную фазу переключения (подобно тому, как это делается в коллекторных двигателях поворотом щёточного узла). Основа схемы переключения - мощные МОП ключи, которые включают и выключают обмотки, согласно положению ротора. Обмотки двигателя подключены по схеме "звезда" - это упрощает конструкцию схемы переключения. Таким образом, в случае бесколлекторного двигателя мы имеем 2 обязательные части - 3-х фазный двигатель и особый регулятор оборотов, создающий 3-х фазный сигнал для обмоток. Отчасти в этом и кроется достаточно высокая цена мотора.
Какие же преимущества даёт такой двигатель?
Главное преимущество - отсутствие вращающихся контактов и переключающихся контактов вообще - а это главный источник потерь в электродвигателях на постоянных магнитах. Вообще-то насыщение магнитного поля тоже проблема, но на моделях применяют двигатели с качественными и мощными магнитами, а в дорогих двигателях - магниты на основе редкоземельных металлов, обладающие повышенной намагниченностью и стойкостью - так что насыщением магнитного поля в реальных условиях работы моторов можно пренебречь. Вместо вращающихся контактов переключение осуществляют полупроводниковые МОП транзисторы. Ещё не так давно подобные транзисторы были очень дороги и не обладали необходимыми характеристиками - предельный ток был ограничен несколькими амперами, а внутреннее сопротивление составляло Омы. Поэтому применение бесколлекторных двигателей для мощностей десятки ватт и выше было невозможно (или массогабаритные показатели их были гораздо хуже). Но сейчас подходящие мощные полевые транзисторы стали относительно недороги (цены порядка 0.5-3$), их показатели значительно выросли - допустимый рабочий ток (правда, при массивном радиаторе) достигает сотни ампер и выше, внутреннее сопротивление - несколько миллиОм. Кстати, если применять такой транзистор без радиатора, ограничив выделяемую мощность на них значением 2,5-4 Вт, рабочий ток может быть в пределах 10-30 А, в зависимости от конкретного типа. Это позволяет сделать электронный коммутатор 3-х фаз питания двигателя с чрезвычайно малыми потерями. Поэтому бесколлекторные двигатели обладают очень высоким КПД - 80-95%. Как иллюстрацию выигрыша можно привести сравнение мотора Speed-400 и позиционирующегося с ним в одном классе Astro Flight 020 Brushless. В обычных условиях работы Speed-400 на авиамодели, его КПД составляет 40-60% при потребляемой мощности 40-80Вт. 020 Brushless в тех же условиях работает с КПД 87-95%, кроме того, его максимальная мощность может достигать 200-250Вт при КПД около 80%.
Теперь учтите КПД винта и потери в редукторе (если он есть) - получается, что при одном и том же питании, задавшись одним и тем же временем работы двигателя, можно получить примерно вдвое большую полезную выходную мощность для 020 Brushless (а значит и тягу). Либо увеличить почти вдвое полётное время.
Вторая хорошая сторона бесколлекторных двигателей - потрясающий ресурс механической части - в таких двигателях ось крепится на шарикоподшипниках, трущиеся и истираемые части отсутствуют - ломаться практически нечему. Саморазмагничивание магнитов достаточно медленное - порядка нескольких процентов за несколько лет, как и в любом моторе. Единственная возможность - разбить мотор в падении, но это справедливо для любого двигателя. Можно сжечь контроллер - как и любой регулятор оборотов. Но при наличии в контроллере защиты по току и аккуратной эксплуатации он тоже прослужит долго.
Теперь можно остановиться на вопросе о цене - за что же мы вынуждены платить столь много, покупая бесколлекторный двигатель?
Механическая часть не сложнее, чем обычный мотор - может быть, изготовить наборный статор с обмоткой сложнее, чем наборный ротор, но зато полностью отсутствует коллектор и щётки - в хороших моторах конструкция этого узла не такая уж и простая. В бесколлекторных двигателях для моделей ротор-магнит изготавливается на основе редкоземельных металлов (самарий-кобальтовые, или неодимовые), поэтому достаточно дорог. Но в целом механика не должна стоить дороже, чем качественный коллекторный двигатель с подобными магнитами. А вот контроллер - регулятор оборотов обязателен! Без него просто невозможно заставить мотор работать. Я не собираюсь вдаваться сейчас в подробности схемы, но сегодня все регуляторы делаются на базе дешёвых микрочипов (однокристальных микроЭВМ), в нашем же случае разница заключается в выходных ключах - их количество утраивается, поскольку приходится коммутировать 3 фазы. Относительно добавочной стоимости компонентов - это максимум 10$ лишних (это зависит от типа и количества необходимых выходных транзисторов), а датчики Холла очень дешёвые. В то же время, такой контроллер обычно стоит на уровне Hi-End регуляторов для обычных моторов, не обеспечивая таких же сервисных функций. Всё это конечно на совести производителей, продавцов и т.п. Но не забывайте, что к обычному мотору тоже необходим регулятор оборотов. Так что сложите стоимость мотор + регулятор в обоих случаях - получите примерно ту же разницу, что и при сравнении ДВС класса МДС-ThunderTiger с двигателями класса Rossi-Saito - так что разница в ценах с этой точки зрения достаточно разумна. Тем более что разница в качестве получаемой мотоустановки более чем адекватна.
Кратко об электронике.
Почему используют датчики Холла? Видимо, так оказалось проще всего и так сложилось. Но можно использовать датчик на основе оптопар и насадить на вал мотора диск с прорезями. В крайнем случае, можно даже использовать контакты, скользящие по диску с проводящими секторами!!! При этом контакты переключают лишь слаботочные цепи управления, а обмотки переключаются без потерь силовыми ключами. В таком случае примерная схема выглядит так - берётся обычный регулятор, добавляется ещё 2 выходных каскада, а управляющий сигнал на эти 3 выходных каскада подаётся через описанный выше коммутатор. Но для "нормальной" схемы с датчиками Холла отличие от подобной простой схемы будет составлять лишь в добавлении 2-х усилителей-компараторов датчиков Холла и мультиплексора 1 на 3. В реальных контроллерах-регуляторах всё это зашито в логику работы микрочипа, который обрабатывает сигналы датчиков и приёмника и выдаёт необходимые сигналы на выходные ключи.
В последнее время можно встретить новые варианты комплектов бесколлекторных моторов - бездатчиковые. Их принцип основан на том, что движущийся магнит наводит в обмотках статора ток. При отключении обмотки она используется как датчик, и наведённый сигнал измеряется и обрабатывается микрочипом. Этот алгоритм довольно сложный и для реализации желателен процессор обработки сигналов. Подробную информацию о таком варианте питания бесколлекторного мотора можно найти на сайте фирмы Texas Instruments. Там же есть пример реализации алгоритма для сигнального микрочипа этой фирмы.
Попутно замечу, что для торможения и реверса бесколлекторного электродвигателя вовсе необязательны дополнительный транзистор тормоза или мостовая схема реверса питания - достаточно лишь сдвигать фазы в обратной последовательности, включая обмотки "на противоходе" - а это ещё экономия транзисторов и улучшение параметров (мостовая схема из 4-х идентичных транзисторов обладает вдвое большим внутренним сопротивлением, чем один такой же в нереверсивной - однотактной схеме).
Можно ли попробовать самому изготовить такой двигатель? Решайте сами. Если удастся достать маленький синхронный двигатель переменного тока, то вам останется только изготовить контроллер и установить датчики положения. Хотя обмотки, скорее всего, придётся перемотать. Можно попробовать использовать статор от ассинхронного двигателя и сделать ротор-магнит самому (если кто знаком с технологией обработки таких твёрдых материалов, как магниты, без потерь намагниченности или имеет доступ к промышленному оборудованию для изготовления магнитов). Обмотки статора обычно содержат меньшее число витков, чем обмотки ротора коллекторного двигателя.
Например, двигатели Aveox имеют 2-4 витка для 6-20 элементов в батарее (в зависимости от модификации), а "гоночные" и "импеллерные" версии - даже один виток. Замечу, что роторы этих двигателей - самарий-кобальтовые магниты. Так что в случае ферритовых магнитов число витков в обмотках нужно увеличить примерно вдвое. Контроллер способен изготовить всякий опытный радиолюбитель, знакомый с технологией программирования микрочипов.
Теперь можно сравнить массы мотоустановок в случаях обычного мотора и бесколлекторного. Массы самих моторов не должны сильно отличаться - статор с обмотками может и тяжелее обычного, но ведь нет коллекторного узла (качественный узел не может быть маленьким и лёгким на таких токах). Теперь контроллер - как я отмечал ранее, число выходных транзисторов утраивается (это в худшем случае, а если исключить транзисторы тормоза или мостовую схему для реверса, то практически одно и то же). Масса транзисторов в пластмассовых корпусах типа TO-220 - около 2-2,5 грамм. Ещё добавляются 2 силовых провода к мотору - это уже добавка серьезнее, но если регулятор разместить рядом с мотором (обычно так и делают), то это лишь немного увеличит общий вес. Ну, немного увеличится плата - добавьте 1-2 грамма. Так что получается, что по сравнению с простым 20-амперным регулятором вес увеличится на 7-8 грамм (один коммутирующий транзистор на фазу). Для 40-амперного регулятора - на 12-14 грамм (по 2 транзистора на фазу), а для 60-амперного - на 17-20грамм (по 3 транзистора на фазу), по сравнению с аналогичными регуляторами коллекторных двигателей. Я здесь привёл раскладку для ХОРОШИХ транзисторов (2,2-3$), в случае применения их без радиаторов, а указанный ток - рабочий, причём сколь угодно долго. Максимальный РАБОЧИЙ ток (т.е. работа допустима недолгое время, пока транзисторы не перегреются - это режимы разгона, торможения) будет в 5-6 раз больше. О качестве применяемых транзисторов в коммерческих регуляторах - разговор особый. Даже в солидных регуляторах ставят транзисторы не самые лучшие, а уж в дешёвых корейских - и говорить нечего. Кстати, совет - перепаяйте транзисторы в вашем регуляторе на достойные - сразу почувствуете разницу.
Приводимые в каталогах характеристики регуляторов неоправданно завышены. Покупать приходится за большие деньги, а получаем … Ну да ладно, не будем о грустном. Вывод такой - грамотно сделанный регулятор для бесколлекторного двигателя может быть даже легче отстойного дешёвого регулятора обычного мотора.
Так что массы мотоустановок с двигателями разного типа не должны сильно отличаться.
Ещё один миф, причём встречающийся и в западной литературе - это то, что бесколлекторные двигатели не могут работать с большими импульсными нагрузками (т.е. с большими пиковыми токами через обмотки). Вроде бы, это ограничение вносит контроллер. Это опять на совести производителей контроллеров-регуляторов. Если они применили дешёвые транзисторы для коммутации фаз, то конечно, максимальный ток будет ограничен этими ключами. Это ограничение - вымысел, ХОРОШИЕ транзисторы допускают такую перегрузку, при которой коллекторный узел может просто сгореть (или соединительные провода). Пиковый ток нормально сделанного регулятора может достигать килоампер - куда уж больше. А ещё в контроллер можно (как и в любой регулятор) ввести защиту от перегрузок по току. Мой личный опыт со стандартными регуляторами (на ХОРОШИХ транзисторах) ни разу не приводил к пробою транзисторов - горели провода, проводники на плате, разъёмы, удавалось подпортить коллектор (дешёвого движка типа ДПМ при заклинивании). Более того, можно уверенно говорить, что бесколлекторные двигатели ЛУЧШЕ работают с импульсными нагрузками, поскольку не содержат контактов.
В заключение, можно с уверенность констатировать тот факт, что бесколлекторные двигатели - это то будущее, к которому скоро придут все любители электромоделей, но сейчас оно не совсем доступно из-за высокой цены. Тем же, кто "за ценой не постоит" можно смело рекомендовать приобрести подобный двигатель.
Смотри также:
|
