Частина 1. Теорія та практика
Нещодавно мені прийшов двигун 2211 1700об.в, не здатний розкрутити потрібний мені гвинт. Після деяких тестів був поставлений діагноз: десь укорочує обмотку. Можна було просто залишити його на запчастини але мені захотілося його перемотати. Статей про перемотування двигунів російською мовою дуже мало, і ось я, начитавшись заморських сайтів вирішив написати свою допомогу по перемотуванні безколекторних двінателей.
Основним матеріалом для даної статті послужили матеріали сайту www.gobrushless.com
Тож почнемо. Для початку потрібно визначитися з проводом для намотування.
Вибір дроти. Скільки жив і якої товщини.
Зазвичай, для намотування двигунів використовується мідний емальований провід. (ПЕВ-2). Такий провід можна купити на радіо ринку і в магазинах з електронними компонентами.
Зі збільшенням потужності мотора, вимоги до якості дроту сильно зростають. Для вирішення цієї проблеми деякі використовують кілька більш тонких проводів замість одного товстого. В цьому є кілька привілеїв:
1 - Товстий дріт складніше намотувати.
2 - На високих частотах можлива поява скін-ефекту (поверхневий ефект)
Якщо коротко, скін-ефект це явище, коли електрони, що протікають через мідний провід, рухаються тільки по поверхні дроту. В цьому випадку центральна частина проводу просто не використовується і перетворюється в небажаний вага. Виявляється цей ефект зі збільшенням частоти.
Стосовно до наших БК моторам цей ефект обговорювалося кілька разів. Є прихильники і того і іншого табору.
Я думаю, що частоти в наших моторах не такі великі і про це ефекті можна не думати.
Для отримання максимального ККД від мотора, необхідно прагнути отримати якомога менший опір обмоток. Чим менше опір, тим менше втрати в обмотці і тим вище ефективність мотора. Для досягнення цієї мети необхідно використовувати якомога більше товстий дріт. Але товстий провід - означає меншу кількість витків і менший крутний момент.Пока вам не потрібно зробити дуже високошвидкісний двигун, намагайтеся намотати якомога більше витків для створення більшого крутного моменту.
Занадто тонкий провід дає великий опір, і ви не зможете пропустити потрібний струм через двигун. Якщо просто підняти напругу, згідно із законом Ома відбудеться збільшення струму. Але втрати в обмотках (нагрів) сильно зростуть. що призведе до руйнування двигуна. Тобто для отримання потрібної мощьности - необхідно вибирати провід потрібного діаметру.
Для модельних двигунів зазвичай використовується провід діаметром 0.3-0.6 мм. Більш тонкий провід дозволяє намотати більше витків але і має більший опір. Визначити опору вашого двигуна не так легко як здається. Не намагайтеся виміряти опір менше 1 Ом, якщо у вас немає спеціального обладнання. Звичайні цифрові мультиметри не призначені для вимірювання таких низьких опорів.
Щоб зробити життя трохи простіше, можна прогнозувати, опір вашого двигуна шляхом вимірювання загальної довжини проводу, а потім розраховувати опір, використовуючи дані з таблиці. Таким чином, можна отримати уявлення про те, який опір буде має ваш двигун.
Я зайшов в магазин «Чіп і Діп» і купив котушку дроти 0.4мм фірми velleman. Треба сказати, що котушка 67 метрів коштує 500р при простому поході в магазин і 380р при замовленні через інтернет. Так, що є сенс зробити попереднє замовлення.
намотування мотора
Перемотка моторів - справа непроста. Буде потрібно досить багато практики, щоб вийшло красиво і якісно. У перший раз може знадобитися дуже багато часу.
Намотати 20 витків тонким проводом на зуб може виявитися досить просто, але ми намагаємося намотати від 10 до 30 витків відповідної товстої дротом, що не завжди так просто.
Хитрість полягає в тому, щоб закріпити статор в яке-небудь пристосування, а потім, використовуючи обидві руки, намотувати витки з потрібним зусиллям, щоб обмотки виходили більш компактними. Це надзвичайно важливо, тому що перший шар обмотки повинні підтримувати такі один або два шари. Якщо перший шар намотаний вільно, наступний шар може лягати між обмотками першого шару. Це створює загальний безлад, і ви ніколи не отримаєте максимальну кількість витків на зуб.
Правильно намотаний зуб має щільно укладені шари і витки, які повинні виглядати красиво і охайно.
Для досягнення такого результату необхідно багато практики!
Схема намотування статора з 9 зубами
Основна схема намотування приведена на зображенні нижче.
Ця схема одна з найпростіших з фізичної та логічної точки зору. Основною проблемою є підрахунок кількості намотаних витків. Спочатку ви будете постійно збиватися з рахунку, але це пройде з практикою.
Як можна пояснити цей ескіз в текстовому форматі?
Існує проста форма запису для позначення намотування:
Зазвичай статор мотається 3 проводами. Назвемо їх 'A', 'B' і 'С'. Якщо дивитися на статор збоку, то намотування проводу за годинниковою стрілкою буде позначена великою літерою, а намотування проти годинникової стрілки - маленькою.
Таким чином, на схемі намотування 9ти полюсного двигуна ми повинні мотати все зуби в одному напрямку, один за іншим що видно в текстовій схемою «ABCABCABC». Дев'ять букв, по одній букві для кожного зуба.
Отже беремо провід, залишаємо близько 10 см, і мотаємо перший зуб за годинниковою стрілкою. Потім перекидаємо провід на 4й зуб і мотаємо його. І на закінчення мотаємо 7й зуб. Потім другим проводом мотаємо зуби 2, 5 і 8. І на завершення третім проводом мотаємо 3, 6 і 9 зуби.
Отже візьмемо наш моторчик, і видалимо з нього старий провід. Він був намотаний дротом 0.3мм. Кількість витків на оригіналі було 24. (Як китайці примудряються стільки витків намотати? Не уявляю)))
Тепер Відмотаємо метр дроту 0.4мм і спробуємо намотати з поступовим зниженням дози:
Перехід з зуба на зуб я заізолював термоусадкой (десь вичитав ....)
з'єднання проводів
Отже, у нас є намотаний статор і з нього стирчить 6 проводів. Три дроти з них - це початку обмоток, і 3 інші кінці. Упс ... Ви не впевнені які з них які? В цьому випадку, необхідно було заздалегідь маркувати дроти в будь-якому форматі, щоб позначити їх початок. Для цього можна використовувати шматочки скотчу з надписати буквами або скотч різного кольору.
Отже, у нас є 6-решт, але тільки 3 з них підключаються до контролера швидкості. Тепер, щоб завершити перемотування необхідно вибрати схему підключення (базуючись на бажаному призначення мотора).
Існує дві конфігурації якими можна з'єднати висновки статора:
Перша називається Зірка (Star або 'Y'), а друга - Трикутник (Delta).
Кожна конфігурація пропонує трохи різні властивості і впливає на потужність мотора. Однак, виробники двигунів ще не вирішили, яка схема є найкращим варіантом.
Діаграми нижче показують електричні схеми для цих з'єднань.
Після цих картинок, відразу зрозуміло чому ці схеми так називаються.
Як правило, з'єднання «Трикутник» вибирається, якщо ви хочете отримати високо спритний мотор і з'єднання «Зіркою» використовується для отримання більш низьких оборотів двигуна і дозволяє використовувати великі гвинти. У наступному розділі ця різниця буде розглянута більш докладно.
Якщо розглянути з'єднання Трикутником і подати напругу на два висновки, у всіх обмотках потече струм. Для демонстрації того як струм розподілитися між обмотками, припустимо, що опір однієї фази дорівнює 1 Ом. У цьому випадку, у нас є фаза А в 1 Ом, поєднана в паралель з 2ма іншими фазами B і С (B і С з'єднані послідовно) опором в 2 Ома. Згідно із законом Ома можна підрахувати, що 2/3 всього струму підуть через фазу А і залишилася 1/3 піде через фази B і C. Результуючий опір яке побачить контролер буде 0,66 Ом.
Якщо ми з'єднаємо висновки за схемою Зірка, то весь струм буде завжди йти через 2 фази в будь-який момент часу.
Результуючий опір для регулятора буде 2 Ома.
Якщо ми навантажимо мотор напругою в 10В, то отримаємо струм близько 15А при з'єднанні Трикутником і всього лише 5А при з'єднанні Зіркою. Треба сказати, що з'єднання трикутником в даному випадку дає більшу потужність. Так-же, ми отримаємо великі струми, але зусилля для повертання великого гвинта може виявитися недостатнім. Можна подати на мотор більшу напругу і все ж змусити цей гвинт крутиться, але можливо, що мотор від цього знову згорить.
В якості прикладу:
Припустимо, що у нас є мотор він вінчестера, і ми хочемо отримати від нього необхідну тягу для 72 "Piper Cub літака. Щоб мотор міг витримувати великі струми, будемо використовувати 0.6 мм дріт. Після нетривалих мук, стало зрозуміло, що більше 10-11 витків намотати цим проводом не виходить.
Перш за все, я поєднав його зіркою (тому що я хотів отримати більший крутний момент). На 3х банках LiPo, з потрібним мені пропелером, вдалося отримати ток всього в 10А. Потужності мотора було явно мало і хотілося отримати більше.
Мотор був переконфігурувати під схему Трикутник, що дало більше потужності. Більше тяги для польоту, але разом з цим і досить високі струми, щоб спалити мотор.
Що ж робити в цій ситуації?
Найкращий спосіб, це підбір батареї з потрібним напругою. З'єднання Зіркою може спокійно потягнути 4 банки літію і в цій конфігурації видати необхідну тягу. Для з'єднання трикутником, навпаки - необхідно зменшити кількість банок батареї.
В результаті обидві конфігурації видадуть приблизно одну і ту-ж потужність. (як не крути)
Обороти і напруга (об / В)
Від того як ви намотаєте мотор буде залежати з якою швидкістю він буде крутитися і яку батарею вам доведеться використовувати для отримання потрібної тяги.
Якщо взяти мотор без гвинта і дати повний газ на, скажімо, 6В, мотор буде крутити на своїх максимальних обертах.
Якщо виміряти ці обороти і поділити їх на напругу батареї, ми отримаємо характеристику звану Обороти на Вольт (RPM per Volt). Після того як ми дізналися цю характеристику ми вже зможемо сказати, як швидко мотор буде крутити на потрібному нам напрузі.
Наприклад, наш мотор крутить 8000 оборотах на 6В.
8000/6 = 1333 Об / в
В цьому випадку з батареєю на 10В мотор буде видавати 13330 Оборотов.
Ця характеристика допомагає нам зрозуміти на що здатний наш мотор, і чи підходить він для поставленого завдання.
Якщо нам потрібен мотор для импеллера, тоді необхідно щоб мотор мав вищі Об / В.
Для 3D літаків, необхідно обертати більший гвинт, і тому зазвичай використовують мотори з більш низьким Об / В.
Під навантаженням кількість оборотів природно впаде.
Повертаючись назад до схем Трикутника і Зірки. Є залежність між цими двома схемами і розрахунком характеристики Об / В. Якщо ви з'єднали мотор зіркою і виміряли його обороти, ви можете підрахувати які Об / В вийдуть при використанні схеми Трикутник і навпаки.
Для перекладу від Зірки до трикутника треба помножити Об / В на 1.73
Для перекладу від Трикутника до Зірки - помножити на 0.578
Таким чином, у нас з'являється реальний інструмент для зміни характеристик мотора в залежності від простої схеми підключення. Деякі моделісти, зайшли так далеко, що підключають всі 6 проводів до невеликого блоку комутації, що дозволяє їм змінювати схему в будь-який час.
Отже, як визначити / розрахувати необхідну кількість витків і оборотів / В перед намотуванням двигуна?
Існують спеціальні програми для розрахунку кількості витків при певних розмірах статора і товщини зубів для отримання потрібної кількості оборотів. Але в більшості випадків, ми просто наметовому максимально можливу кількість витків і вимірюємо параметри отриманого мотора. Використовуючи отримані дані, вже можна зрозуміти влаштовує нас такий стан справ чи ні, і що робити для досягнення мети. Метод «тику» теж працює досить добре.
Як інструкція можна навести кілька тверджень:
Чим більше витків намотано на зуб, тим більше магнітне поле буде отримано на тому-ж струмі.
Чим сильніше поле, тим більший крутний момент і меншу кількість обертів на вольт.
Для отримання високих Об / В, необхідно мотати меншу кількість витків. Але разом з цим падає і крутний момент. Для компенсації моменту, зазвичай на мотор подають більш високу напругу.
З'єднання Зіркою дає більший крутний момент і меншу кількість Об / У чому з'єднання Трикутником.
Останній штрих
Повертаючись до моєї моторці. Мені вдалося намотати всього по 11 витків дротом 0.4мм. З таким коліеством витків про з'єднання проводів трикутником можна відразу забути. Отже, я зачистив емаль з 3х висновків і спаяв їх разом.
Решта 3 виведення були заправлені в термоусадку. Останнім кроком я підпаяв 2мм коннектори.
Результати тестів показали наступні характеристики:
Судячи з параметрами - вийшло десь 2200 оборотів, тахометра не було під рукою.
GWS 6х3 тяга 270грамм 6А
GWS 7х3.5 тяга 330 грам 8.2А
Цілком прийнятний результат.
Схеми намотування безколекторних двигунів
Пояснення до даної таблиці:
(A) - мотати за годинниковою стрілкою
(A) - мотати проти годинникової стрілки
(-) - залишити зуб порожнім (Для LRK схем)
чорний - не працює
помаранчевий -працює, але не дуже добре
білий - працює
блакитний - працює добре
Придбати безколекторні двигуни в Тернопілля можна в нашому інтернет магазині drone-irk.ru
Підключення польотних контролерів CopterControl - CC3D - Atom