Бесколлекторный электродвигатель с неодимовыми магнитами

Бесколлекторный электродвигатель - это (как можно догадаться по названию) электродвигатель в котором нет коллектора. Коллектор электродвигателя (не транзистора или чего либо другого) - это контакты расположенные на роторе (вращающаяся часть электродвигателя) через которые идёт ток обмоток на этом роторе. Контакты которые расположены на статоре (части двигателя которая не вращается (если к ней не прикладывать доп. силы (напр. руками крутить))) называются щётками. Для начала, рассмотрим, на простом примере, принцип работы коллекторного электродвигателя.
Принцип работы коллекторного электродвигателя показан на рисунке:

Рисунок 1 - Коллекторный электродвигатель

Расположение обмоток на роторе и постоянных магнитов на статоре могут быть другими, также обмотки могут располагаться на статоре а постоянные магниты на роторе и ещё могут быть всячески комбинированные варианты с более сложной механикой и др. необычными вещами но для простоты рассмотрим данный случай. Щётки на статоре и контакты коллектора расположены так что когда они замкнуты то обмотки ротора создают магнитные полюса таким образом чтобы они притягиваясь к полюсам статора вращали ротор. Во время работы двигателя контакты коллектора и щётки постоянно замыкаются и размыкаются что приводит к их износу. Помимо этого при размыкании контактов, между ними происходит электрический пробой воздуха, образуется дуга через которую идёт ток обмоток. Дуга нагревает контакты что также приводит к их износу и к потери энергии. Эти дуги обычно называют искрами когда видят их. Помимо износа и потери энергии эти искры (или дуги (не знаю как грамотно это назвать)) создают электромагнитные излучения в диапазоне радиочастот которые могут создавать помехи для работы электроники. Заменив эти контакты полупроводниковыми () (или какими либо другими бесконтактными) ключами, можно устранить некоторые недостатки напр. износ, конечно транзисторы тоже со временем изнашиваются но это происходит настолько медленно что этим точно можно пренебречь. Радиочастотные помехи и потери энергии тоже останутся но и они будут значительно меньше если в устройстве управления двигателем с бесконтактными ключами будет предусмотрена система перенаправления энергии запасённой в обмотках таким образом чтобы она не терялась в виде тепла. Часть энергии всё равно будет теряться из за наличия активного сопротивления открытых ключей, потери этой энергии можно уменьшить если использовать ключи с низким активным сопротивлением в открытом состоянии. Также часть энергии будет теряться на закрытых ключах т.к. реальные ключи не обладают бесконечно большим активным сопротивлением.
Теперь рассмотрим наипростейшую конструкцию бесколлекторного электродвигателя без обратных связей;

Рисунок 2 - Бесколлекторный электродвигатель

Т.к. шаговые, асинхронные, вентильные и некоторые другие электродвигатели не имеют коллектора то их можно отнести к бесколлекторным что вполне логично! Поэтому можно рассмотреть работу бесколлекторного двигателя на примере подходящем для рассмотрения шагового. Отличием от двигателя изображённого на предыдущем рисунке здесь является отсутствие коллектора и щёток а также в данном двигателе обмотки расположены на статоре а постоянный магнит находиться на роторе. Режим управления двигателем показанный на анимированном рисунке 2 называется полношаговым с использованием одной фазы на каждом шаге. Если на каждом шаге подавать ток сразу на две обмотки то такой режим будет полношаговым с использованием двух фаз на каждом шаге. Комбинацией полношаговых режимов является полушаговый режим (см. картинку на странице http://electe.blogspot.ru/2014/08/lpt-attiny2313_31.html), есть ещё микрошаговый режим при котором на разные обмотки подаются токи разной величины. В асинхронных электродвигателях, как правило, нет постоянных магнитов на роторе, вместо них там обмотки или в простейшем случае просто металлический предмет какой либо формы. Асинхронные электродвигатели наиболее просты в изготовлении но для управления ими требуется на обмотки подавать синусоидальные напряжения, для этого требуется специальная система управления создать которую труднее чем ту которая подошла бы для шагового двигателя, хотя вполне возможно что драйвер двухфазного шагового электродвигателя с микрошаговым режимом подошёл бы для управления двухфазным асинхронным двигателем. Конструкция двигателя на рисунке 2 имеет недостаток - если постоянный магнит ротора сильный неодимовый то он будет притягиваться к выступам магнитопровода статора в четырёх положениях (хотя даже со слабым магнитом этот эффект будет но значительно слабее). Для того чтобы ротор повернулся из одного такого положения нужно подать на обмотки ток такой чтобы сила созданная обмотками была больше силы которая удерживает ротор в положении при в котором он будет при отсутствии тока в обмотках. Получается что неодимовые магниты, сами по себе не дают выигрыша в мощности, но зато с используя такие магниты можно сделать двигатель имеющий меньшие размеры и массу по сравнению с двигателем имеющим обычные магниты (если уметь и знать как). Рассмотрим другую конструкцию бесколлекторного электродвигателя:

Рисунок 3 - Бесколлекторный электродвигатель

На роторе данного электродвигателя имеется больше магнитов чем на роторе двигателя на рисунке 2, поэтому силы создаваемыме магнитами находящимися ближе всего к выступам магнитопровода и удерживающие ротор в одном из положений частично компенсируются силами создаваемыми остальными магнитами, в результате чего провернуть ротор электродвигателя будет проще т.е. можно провернуть меньшими токами в обмотках ротора. Конструкции изображённые на рисунках 2 и 3 можно изготовить в домашних условиях:

Конечно получившиеся электродвигатели не очень качественные но без ошибок, "наступаний на грабли" и понимания тонкостей, особенностей и основных принципов не возможно полноценное и качественное обучение, поэтому надеюсь что данный опыт будет кому либо полезен.

Неодимовые магниты купить http://ali.pub/wdakz
Эмалированный медный провод 0.2мм http://ali.pub/vs93i

КАРТА БЛОГА (содержание)