Двигатель 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.
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.
В Германии создали автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов — дешевле, экономичнее и эффективнее
Немецкая компания Mahle разработала автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов. Это позволит снизить зависимость от китайских поставок редкоземельных металлов и сделает электромоторы дешевле. Также отсутствие постоянных магнитов позволило повысить КПД электродвигателей на всех режимах работы. Для индустрии электромобилей новый двигатель обещает заметный прорыв в характеристиках машин и снижение стоимости обслуживания.
В подавляющем большинстве современных электродвигателей для электрического транспорта используются постоянные магниты преимущественно из редкоземельных металлов. Всё бы ничего, только руку на пульсе поставок этого сырья держит Китай и довольно жёстко регулирует этот рынок.
Руду с содержанием редкоземельных металлов добывают во многих частях мира, но производство по переработке в основном сосредоточено в Китае, где рабочая сила дешевле, а экологические нормы не такие строгие. Как результат, за последнее десятилетие цена на неодим выросла на 750 %, а стоимость диспрозия выросла на 2000 % и, очевидно, это не предел. Подобная ситуация заставляет разработчиков создавать электродвигатели без постоянных магнитов, заменяя их катушками индуктивности в составе ротора двигателя. Однако это тянет за собой массу проблем.
Для передачи электрического тока на катушки в роторе требуется создать надёжные и долговечные скользящие контактные передачи. Высокие токи и постоянная нагрузка делают такие узлы менее надёжными, что недопустимо для электротранспорта с высокой эксплуатационной нагрузкой. Инженеры компании Mahle смогли обойти эту проблему, предложив схему индукционной (беспроводной) передачи тока на катушки в роторе. Это практически как беспроводная зарядка смартфона.
По словам создателей, предложенная конструкция показала высочайшую эффективность, поскольку позволяет регулировать силу магнитного поля, генерируемую катушками в роторе, в соответствии с рабочей нагрузкой и режимом работы электродвигателя. Получился своего рода «умный» электродвигатель, КПД которого на высоких оборотах достигает 95 %. Также двигатель без скользящих контактов можно обслуживать гораздо реже, что экономит время и деньги на поддержание транспортной системы в порядке.
Как уверяют в Mahle, новые электродвигатели пригодны как для легковых автомобилей, так и для грузового и пассажирского транспорта. Образцы электродвигателей уже рассылаются заинтересованным автопроизводителям, а внедрение в массовое производство ожидается примерно через два с половиной года.
Асинхронный электродвигатель изобрели?
Дуюнов всё еще строит свой завод?
КПД даже эксплуатируемых ныне двигателей весьма высок, обслуживание не сильно сложное дорогое. Повышение с 90 до 95 не такой ахуительный прорыв.
Настоящим прорывом будет надёжный и производительный аккумулятор/источник питания с высоким КПД. Собственно в него сейчас упирается очень много прогрессивных разработок.
Все уже давно изобретено, и применяеется со второй половины двацатого века в энергетике, все что нужно было уменьшить масштаб до автомобилоного, все детально о таких двигателях описано давно в учебниках https://techlibrary.ru/b/2q1c1a1o1p1c-2z1n1p1m1f1o1s1l1j1k_2.
Да ладно? Что, асинхронник придумали?
>схема индукционной (беспроводной) передачи тока
>КПД которого на высоких оборотах достигает 95 %
Надёжнее, эффективнее и дешевле. Красавчики.
А это точно не эстонские изобретатели?
Моторы с электромагнитами, передача тока посредством индуктивности (если кто помнит, так работали моторы на вращающихся головках видеомагнитофонов). Вероятно они ещё изобрели переменный ток.
Эм. а катушки индуктивности из чего сделаны?
Посмотрел видяху. Они действительно таки вместо щёточного узла поставили беспроводную зарядку. Вместо контактных колец катушки приёмника, вместо щёток катушки передатчика кольцом.
Назад в будущее уже близко. )
Знайки в комментах решили выпендриться? ))
В посте ни разу не сказано «изобрели».
За последние 10 лет, стоимость литиево-ионных аккумуляторов упала на 88%
Дешевые, крупные аккумуляторы являются ключевыми для производства электромобилей, а также резерва энергии в возобновляемых электростанциях (таких, как ветряные или солнечные), что позволит им бесперебойно снабжать энергией потребителей, независимо от временных погодных условий или цикла день-ночь).
Как и большинство остальных товаров, аккумуляторы тем дешевле за единицу, чем больше их производят, поэтому повышаемый спрос за счет падения цен повысит производство, что приведет к еще большему падению цен. Для литиево-ионных аккумуляторов это соотношение равно падению цен на 18% за киловатт-час за каждое удвоение ежегодного количества произведенных аккумуляторов.
Гриль ленивого инженера
Электрическая турбина Hunstable обещает революцию в области электродвигателей
Компания Linear Labs была основана как команда отца и сына. До этого отец Фред Хунстейбл проектировал электрические системы для атомных электростанций для таких компаний, как Ebasco и Walker Engineering, до того, как США положили начало производству атомной энергии. Сын Брэд Хунстейбл является соучредителем потокового сервиса Ustream, проданного IBM в начале 2016 года за 150 миллионов долларов. Вместе Хунстейблы говорят, что создали «новый класс электродвигателей» под названием Hunstable Electric Turbine (HET), обещая, что «для при одинаковом размере, одинаковом весе, одинаковом объеме и одинаковом количестве энергии, подводимой к двигателю, мы всегда будем производить… в два-три раза больше крутящего момента, чем у любого электродвигателя в мире ».
Две основные конструкции электродвигателей называются радиальным потоком и осевым потоком, в которых используется неподвижный статор и один или два вращающихся ротора. Компания Linear Labs классифицирует его как «трехмерный двигатель с четырьмя роторами с постоянным магнитом по окружности», сочетающий в себе конструкции с радиальным и осевым потоком. Посмотрите видео, чтобы увидеть его в действии, но в HET размещен один статор, со всех сторон обмотанный роторами, причем каждая сторона имеет одинаковую полярность, так что все магнитные поля движутся в направлении движения.
Дополнительные технологические новинки включают в себя схему медных обмоток, в новейшем осевом двигателе, которая исключает концевые обмотки, поэтому весь магнитный поток идет на создание крутящего момента. Конструкция обмотки также требует меньше меди, что снижает вес. Программное управление позволяет HET перекрывать свои фазы питания и может изменять фазировку мощности для эмуляции чего-либо от однофазного до шестифазного двигателя без изменения какого-либо фактора ввода энергии в двигатель. HET работает при более низком напряжении звена постоянного тока, что позволяет снизить номинальные характеристики переключателей и уменьшить конденсаторы звена постоянного тока. Увеличилось производство крутящего момента, которое поступает из стандартных железо-ферритовых магнитов и теперь отпадет потребность в редкоземельных магнитах. И HET не требует дорогих, специализированных производственных процессов для производства.
Говорят, что можно одинаково хорошо уменьшать и увеличивать масштаб двигателя, первый вариант HET размером с микромобильность, который в следующем году появится в скутере. Linear Labs заявляет, что его их мотор выдает 36,4 Hm максимального крутящего момента по сравнению со стандартным конкурентом, двигателем Segway Ninebot ES4, который способен только на 16,9 Hm, с учетом объемной и массовой плотности мощности. По словам Linear Labs, это более чем вдвое превышает выходной сигнал, и «Linear Labs говорит: «Эти улучшения в производительности принесут пользу потребителям с возможностью увеличения запаса хода и выдать больше мощности для подъема на горной местности».
Компания Linear Labs заявляет, что она может не только сделать это для электромобилей (а также для электрических мотоциклов и кондиционеров, а также для двигателей летательных аппаратов, ветряных турбин и т. д.). Когда речь заходит об электромобилях, компания заявляет, как минимум о 10% увеличения запаса хода от заданной емкости аккумулятора с помощью своего мотора. Кроме того, говорят, что HET создает свой превосходящий крутящий момент на той же скорости, что и колеса. Если это так, производитель электромобилей мог бы выбросить коробку передач, необходимую при использовании традиционного быстро вращающегося двигателя, и использовать HET в конфигурации с прямым приводом. Это приводит к снижению трудозатрат и снижению веса.
В России создали прорывной электродвигатель без постоянных магнитов
Российским инженерам из компании «Электротранспортные технологии» удалось создать вентильно-индукторный автомобильный электродвигатель, КПД которого на 15% выше, чем у иностранных аналогов. При этом стоит отечественная разработка дешевле, что в конечном счете отразится и на цене автомобилей, в которых будет использоваться вышеупомянутый мотор.
Суть инновации заключается в том, что российские конструкторы применили медную катушку для создания магнитного поля, необходимого для того, чтобы привести колеса автомобиля в движение. В большинстве современных синхронных электромоторов, где используются постоянные магниты, проводник смещается в магнитном поле, образуя противоположно направленную силу, которая, в свою очередь, снижает силу тока. Для увеличения последней приходится уменьшать поле постоянного магнита, на что тратится дополнительная энергия, снижая общий КПД такого двигателя.
В российской разработке, как уже упоминалось выше, магнитное поле создается посредством катушки, по которой проходит ток. Последним можно управлять, снижая напряжение во время разгона и увеличивая, для большей мощности без потери КПД.
Кроме того, данный агрегат не нуждается в сложных системах охлаждения. В нем нет постоянных магнитов, которые имеют свойство размагничиваться при перегреве (достижение точки Кюри) и резко снижать мощность двигателя. Испытания, проведенные российскими инженерами, показали, что иностранный аналог (на постоянных магнитах) перестает функционировать уже при 100°C, в то время, как отечественный мотор продолжает работать при нагреве в 150°.
Стоит отметить, что инновация в ближайшем будущем может найти коммерческое применение. Разработчик планирует наладить выпуск беспилотных грузовиков, оснащенных подобными моторами. Несколько таких машин на данный момент уже испытываются иностранными компаниями.