Я учусь в 10 классе и у нас в школьной программе есть проектная деятельность. Я выбрал тему физики и написал о бесколлекторных двигателях. И вот мне захотелось поделиться с вами о моей работе.
 
Немного из истории:

Главная проблема всех двигателей – это перегревание. Ротор вращался внутри какого-нибудь статора, и поэтому тепло от перегрева никуда не уходило. Людям пришла в голову гениальная идея: вращать не ротор, а статор, который при вращении охлаждался бы воздухом. Когда создали такой двигатель, он стал широко использоваться в авиации и судостроении, и поэтому его прозвали Вентильным двигателем.
 

Вскоре был создан электрический аналог вентильного двигателя. Назвали его бесколлекторным мотором, потому что у него не было коллекторов (щеток).
 

 Бесколлекторный двигатель.

Бесколлекторные (brushless англ.) электродвигатели пришли к нам сравнительно недавно, в последние 10-15 лет. В отличие от коллекторных моторов они питаются трехфазным переменным током. Бесколлекторные двигатели эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД. Конструкция двигателя при этом относительно проще, в ней нет щеточного узла, который постоянно трется с ротором и создает искры. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Стоимость бесколлекторных двигателей несколько выше, чем коллекторных. Это вызвано тем, что все бесколлекторные моторы снабжены подшипникам и, как правило, изготовлены более качественно.



По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner (произносится как "инраннер") и outrunner (произносится как "аутраннер"). Двигатели первой группы имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Двигатели второй группы - "аутраннеры", имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами. Количество полюсов магнитов, используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным. По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте.




Принцип работы.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в бесколлекторном двигателе (БД) осуществляется и контролируется с помощью электроники. Принцип работы БД основан на том, что контроллер БД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был под углом 120 градусов к вектору магнитного поля ротора.
 

(на катринке статор перепутан с ротором) 
Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора.

Применение.

Данный тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесконтактных трехфазных двигателей постоянного тока.  

 

 

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:
-Частота вращения изменяется в широком диапазоне
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)

Создание бесколлекторного двигателя (1):

Однажды я уже писал про создание бесколлекторного двигателя из старого колекторного двигателя: http://www.parkflyer.ru/blogs/view_entry/598/



Испытания показали:
Тяга с винтом 8х6 = 533 грамма,
Частота вращения = 5433 об/мин,
Потребляемая мощность = 120 ватт (это только при холостом ходу!), а с винтом вообще 330 ватт. Это очень плохие показатели, и поэтому было решено создать новый с улучшенными характеристиками бесколлекторный двигатель. (его КПД = 23%)

Создание бесколлекторного двигателя (2):

На самом деле нельзя утверждать, что новый двигатель полностью создан мною, т.к. сделан он из старого, сломанного и сгоревшего бесколлекторного двигателя, можно сказать, что он восстановлен (починен и перемотан системой треугольника). Отличается он от первого тем, что у него вместо 3 зубьев 12, другая система обмотки и более правильная конструкция с использованием подшипников. 
О том как перематывать двигатели я вам рассказывать не буду, а просто дам ссылку об этом: http://rc-aviation.ru/mtech/735-remont/1176-peremotka-dvigatelya, а также дам вам совет перематывайте не одной проволкой, а косичкой из нескольких, более тонких проволок.



 

 

Испытания показали:
Тяга с винтом 8х6 = 754 грамма,
Частота вращения = 11550 об/мин,
Потребляемая мощность = 9 ватт (без винта), 101 ватт (с винтом), 



Мощность и КПД 

Мощность можно вычислить вот таким способом:
1) Мощность в механике вычисляется по такой формуле: N= F*v, где F - сила, а v - скорость. Но так как, винт находится в статическом состояние, то движения нет, кроме вращательного. Если этот мотор установить на авиамодель, то можно было бы замерить скорость (она равна 12 м/с) и посчитать полезную мощность:
N полез= 7.54*12= 90.48 ватт
2) КПД электрического двигателя находится по такой формуле: КПД= N полезной/N затраченной *100%, где N затрат= 101 ватт
КПД= 90.48/101 *100%= 90%
В среднем КПД бесколлекторных двигателей реально и колеблется около 90% (самый большой КПД достигнутый данным видом моторов равен 99.68%) 

Характеристики двигателя:

Напряжение: 11.1 вольт
Обороты: 11550 об/мин
Максимальная сила тока: 15А
Мощность: 200 ватт
Тяга: 754 грамм (винт 8х6) 

 

Заключение:

Цена любой вещи зависит от масштабов ее производства. Производители бесколлекторных моторов множатся, как грибы после дождя. Поэтому хочется верить, что в скором будущем цена на контроллеры и бесколлекторные двигатели упадет, как упала она на аппаратуру радиоуправления... Возможности микроэлектроники с каждым днем все расширяются, размеры и вес контроллеров постепенно уменьшаются. Можно предположить, что в скором будущем контроллеры начнут встраивать прямо в двигатели! Может, мы доживем до этого дня...