Как оно работает - элементы теории.

[nikvic]

 Бесколлекторные электромоторы с постоянными магнитами.

Сижу я с плохим инетом, но с кондишеном,  под Подольском, на улицу выхожу только курить

и, на велике, вечерком за пивком ... Так что не пинайте сильно мои размышлизмы, а

задавайте вопросики и ругайтесь по делу, пжалста. 


Напомню 2 формулы школьной физики. Пусть проводник длины D равномерно и поступательно

движется со скоростью V поперёк магнитного поля с индукцией B. По по "рельсам" к нему

подводится  ток  I, а его сопротивление -  R.

Поле действует на него с силой Ампера, F=B*I*D, вдоль него появляется ЭДС E=B*V*D.
Сразу замечу, что D и В "ходят парой" - важно только их произведение M=B*D.
В электромоторах аналогичную роль играет "коэффициент мотора" К, связывающий ток с

моментом и обороты с противоЭДС. Это - один и тот же коэфф., и "углядеть" его для

некоторых моторов можно в Симуляторе http://ebikes.ca/simulator. (Для моторов, конечно,

ситуация посложнее, т.к. М зависит от угла поворота, так что приводится некое

усреднение.) Кстати, я сумел  воспроизвести Симулятор на Экселе, но десктоп с прогой

сейчас в 50км от меня - вместе с мелким  э-великом с раздутыми акками...

Для поддержания тока к проводнику надлежит приложить напряжение U=E + I*R (знак "+"

означает выбор режима потребления э-энергии, т.е. вариант электромотора).
Потребляемая мощность P=I*U состоит из тепловых потерь Q=I^2*R и полезной мощности А.

Важно запомнить, что А получается двумя способами, А=F*V и A=I*E.
Фиксируем подаваемое напряжение U и будем использовать "устройство" как электромотор.

Окажется, что cила падает с ростом скорости, а наибольшую мощность он даёт при КПД=50%

на скорости U/M/2 - она равна половине скорости выбега U/BD! Ситуация в точности та же,

что и в школьной задаче про максимальную полезную мощность для источника тока с

сопротивлением R и  напряжением U: на "полезную" часть приходится половина исходного

напряжения... Что касается КПД, то он растёт от нуля до 100% одновременно с падением

мощности до нуля...

===Все наши бесколлекторные моторы устроены одинаково. Есть распределённая по "зубцам"

неподвижная  трёхсекционная обмотка (статор) и внешний или внутренний ротор, набранный

из ЧЁТНОГО числа 2*Р магнитов (Р мало для высокооборотных моторов, велико для МК) с

попеременным направлением полюсов. Число зубцов 3Z непременно делится на 3, три обмотки

"сдвинуты" друг относительно друга на треть оборота. Где-то здесь я видел ссылку на

сайт, где была таблица порядков витков по P и Z (хотя и сам умею это делать), но для   

наших расчётов вполне достаточно рассматривать мотор с одной парой магнитов и тремя

"катушками" обмоток. Впрочем, Z в "силовых" расчётах не участвует.     

Вот параметры мотора Golden500W (http://ebikes.ca/simulator) -
K=0.998 - тот самый коэфф. мотора. Если его умножить на РПМ/60*2Пи, получим ЭДС

противоиндукции, а умножив на ток (ампер) - получим момент в Н*м.
R=0.4. Не вполне ясно, идёт ли речь об одной обмотке или об их последовательном

соединении.
P=23 - число пар полюсов. Участвует не во всех расчётах, но тут влезает индуктивность,

и приходится использовать "фазовую" скорость, w=РПМ*РПМ/60*2Пи*Р.
L=0.001. Индуктивность. Одной обмотки? Выглядит ошибкой: в моторах-аналогах раз в 10

меньше.... 

Есть ещё пара данных. Мотор расчитан для 36в, начальный момент "трения" - 0.332Н*м.

Если бы не трение, 36в раскрутили бы мотор до РПМ ~380 - с КПД 100% и нулевой

мощностью. Такой расчёт весьма точен для контроллеров, "выдающих" идеальное трёхфазное

"синусовое" управление. 
В действительности, конечно, такой расчёт не проходит из-за упрощённой "китайской"

программы поведения контроллера - о них и поговорим...

  Наши контроллеры реализуют две основные функции.  Где-то здесь я видел картинку

"честного" контроллера - у него стояло 7 мовсетов.  Из них 3 пары занимались

распределением тока по обмоткам, а первый как бы уменьшает напряжение аккумулятора,

реализуя  ШИМ-управление. Именно, примерно 15000 раз в секунду он отсоединяет источник

питания от мотора на время, определяемое контроллером и положением ручки "газа". Ток из

аккумулятора, довольно большой при открытом ключе, прерывается. Однако из-за

индуктивности обмоток ток в них разве что уменьшается, проходя мимо ключа по

внутреннему диоду мофсета. (В Симуляторе вроде бы учитываются мелкие потери на этом

диоде.)
Не вдаваясь в объяснения, скажу так: аккумулятор + ШИМ можно рассматривать как

управляемый источник тока с возможностью понижать напряжение без уменьшения

энергоёмкости. Именно, если  ключ открыт 30% времени, то аккумулятор 24в,12а-ч как бы

превращается в аккумулятор 7.2в, 40а-ч. Поиграйте с Симулятором - на графиках чётко

видны две зоны. Первая - ШИМ ограничивает ток, вторая, для больших оборотов,

"настоящая", когда ток ограничивается естественно -  из-за большой противоЭДС.

Как мне представляется, хороший контроллер должен иметь отдельный ключ для ШИМ и,

желательно, сглаживающую индуктивность после него: индуктивность обмоток (около 0.0001,

R~1) недостаточна для хорошего сглаживания. Такое разделение полезно и для рекуперации

(не путать с торможением двигателем с использованием балластного резистора), хотя

требует, фактически, сделать двунаправленный DC-DC преобразователь с возможностью

повышения напряжения... 

Теперь - про управление фазами. В идеале, конечно, нужен "синусовый" преобразователь,

выдающий трёхфазку, согласованную с углами поворота ротора. Однако пока делают, в

основном, проще. На картинке



обмотка А подключается к "+" за 60 градусов ("электрических") до момента, когда

противоЭДС в ней максимальна. Примерно в тот же момент В отключается, а С, подключённая

к "-",  проходит проходит точку минимальной противоЭДС (с учётом знака!).
Эти противоЭДС меняются с поворотом по синусоиде, начальные условия есть, а системы

дифуров составлять умею. Там 3 тока с нулевой суммой (выбором плюс-направлений к

центру), а гадость заключается в том, что ток В, уменьшаясь, становится равным нулю

таковым остаётся до следующего подключения через 60 градусов. В принципе всё можно

сделать аналитически, но мне оказалось проще сделать прогу (Эксель-бейсик удобен для

графиков).   


В качестве амплитуды взято К*РПМ/60*2Пи. Хотя, возможно, следовало взять величину,

раза в два меньше - исходя из возможных методов измерения К. На рисунке достаточно

текста - спрашивайте. Прога у меня с "собой", будет интерес - введу другие данные.
Было интересно сравнить мои картинки с теми, что есть здесь у i. Отыскать не могу -

мало интернета...

А как самому "снять" параметры мотора? Понятно, что с R проблем нет, 2R меряется "в

лоб".
Несколько хитрее выяснить 2L. Можно пустить 50гц (через понижающий трансик) и померять

ток и напряжение - далее по формулам. Можно пустить их на осциллограф

(напряжение=развёртка). Вместо прямого эллипса будет косой - а дальше всё зависит от

умения пересчитывать и учитывать...
Хуже с К. Нужно бы раскрутить мотор с измеряемой скоростью и померять напряжение между

двумя концами. Как вариант - мерять момент и ток (достаточно малой скорости)



==================

Довольно часто здесь обсуждается два вопроса - про повышение напряжения заменой акка и

про перемотку с целью увеличить достижимую скорость. Не касаясь  теплового режима и

поведения контроллера, посмотрим, на что можно "опереться".

Пусть мотор питается от U, измеренное сопротивление R, известен моторный коэффициент 

K. Удобной "точкой" является режим максимальной мощности А=1/4* U^2/R с КПД 50%. Ток

равен U/2R, омега (РПМ/60*2Пи) W=U/2К. Простое повышение напряжения пропорционально

увеличивает ток, момент и обороты этого режима, а мощность - квадратично.

Теперь про обмотку. Её объём фиксирован, значит, и при увеличении числа витков, скажем,

в два раза, сопротивление увеличится в 4 (сечение уполовинится, длина удвоится). Моторный коэфф. пропорционален числу витков, а индуктивность - квадрату.

Уф, пока фсё...

[i]

Выполняю давнишнее обещание. Сегодня исследовал мотор-колесо на отставания тока от напряжения. Возможно будет полезно.
В именах осциллограм написан ток цепи при съёмке.

[nikvic]

Выполняю давнишнее обещание. Сегодня исследовал мотор-колесо на отставания тока от напряжения. Возможно будет полезно.
В именах осциллограм написан ток цепи при съёмке.

Как-то не там меряется напряжение : сдвиг меряется на цепочке (R1+R2, L). 

Напряжение нужно снимать  с МК - и тогда, возможно, получим постоянный сдвиг, характеризующий соотношение R2, L для 50гц.

[i]

Сдвиг-то всё равно даёт только L, а перелом произошёл мне кажется из-за того, что при токе более 4А мотор пытался поехать. :ap: Началась вибрация, может это она дала дополнительный сдвиг?

[nikvic]

Сдвиг-то всё равно даёт только L, а перелом произошёл мне кажется из-за того, что при токе более 4А мотор пытался поехать. :ap: Началась вибрация, может это она дала дополнительный сдвиг?

Тангенс угла сдвига = омега* L/R = 314L/R. Увеличивать ток в собранной схеме можно только уменьшением R.

[Abos]

Сдвиг-то всё равно даёт только L, а перелом произошёл мне кажется из-за того, что при токе более 4А мотор пытался поехать. :ap: Началась вибрация, может это она дала дополнительный сдвиг?

При полностью введенном R2 напряжение на МК будет минимально, ток общий тоже минимальный.

Осциллограф рисует картинки напряжения питания (на вторичке трансформатора) и общего тока в цепи.

При среднем значении R2 напряжение на МК будет уже какое-то среднее и общий ток побольше.

При полностью шунтированном R2 напряжение на МК будет максимальным и общий ток тоже максимальный.

Не забываем о характеристике B(H) электротехнического железа.

Вероятнее всего в первом и втором случае Вы работаете на линейном участке характеристики до "колена", поэтому "перегиба" тока нет. В третьем случае скорее всего Вы работаете на "колене" B(H) или за ним.

Если произошло насыщение железа, то и индуктивность изменилась. Отсюда и "перегиб" тока.

Так, думаю.

[i]

Всё может быть, но мне кажется, что ток в 3А маловат для насыщения железа. Скорее всего просто "кривой" эксперимент.

[Abos]

Всё может быть, но мне кажется, что ток в 3А маловат для насыщения железа. Скорее всего просто "кривой" эксперимент.

На графике показан ток в 3А, после которого происходит "перегиб". Всего 3 измерения, последнее при 5А. Все три точки соединены прямыми. Эффект "перегиба" будет проявляться уже после первого прямолинейного участка характеристики B(H) даже на "колене", когда железо только начинает входить в насыщение.

По поводу эксперимента, не думаю, что он "кривой". 

[i]

..По поводу эксперимента, не думаю, что он "кривой". 

Это будет ясно если только кто-то повторит подобное.

[Abos]

Это будет ясно если только кто-то повторит подобное.
[/quote]

Согласен, но при повторении хотелось бы увидеть измерения еще как минимум в двух точках: при токе 4А и 5,5А при заторможенном роторе.

[Abos]

 
===Все наши бесколлекторные моторы устроены одинаково. Есть распределённая по "зубцам"
неподвижная  трёхсекционная обмотка (статор) и внешний или внутренний ротор, набранный
из ЧЁТНОГО числа 2*Р магнитов (Р мало для высокооборотных моторов, велико для МК) с
попеременным направлением полюсов. Число зубцов 3Z непременно делится на 3, три обмотки
"сдвинуты" друг относительно друга на треть оборота. Где-то здесь я видел ссылку на
сайт, где была таблица порядков витков по P и Z (хотя и сам умею это делать), но для   
наших расчётов вполне достаточно рассматривать мотор с одной парой магнитов и тремя
"катушками" обмоток. Впрочем, Z в "силовых" расчётах не участвует.    

Далеко не все наши бесколлекторные моторы устроены одинаково. Кроме распределенной по зубцам
неподвижной  трёхсекционной обмотки можно встретить и катушечную сосредоточенную на полюсных выступах статора обмотку якоря. И не обязательно число зубцов (полюсных выступов) якоря делится на 3, оно кратно числу фаз обмотки якоря, число фаз может быть и 3, и 4, и 5, и т.д. А еще есть бесколлекторные моторы, имеющие явно выраженные зубчатые полюса якоря. А еще есть есть моторы, имеющие один или два, или более кольцеобразных постоянных магнита на роторе, при этом число зубцов на статоре может исчисляться десятками. И т.д. Много есть хороших моторов и каждый имеет свои особенности и свои методики расчета.

[nikvic]

===Все наши бесколлекторные моторы устроены одинаково.

Далеко не все наши бесколлекторные моторы устроены одинаково.

"Наши моторы" - моторы, упоминавшиеся как стоящие на описанных владельцами (участники форума) велах, скутера, телегах и изначально предназначенные для этих целей. "Экзотику" встречал только в переделках/присобачивании стартёров, генераторов и т.п.

[nikvic]

Полагаю полезным поместить здесь свой результатик относительно максимальног КПД при обычном "прямоугольном" управлении - когда фазный ток получается в результате открытия/закрытия ключей в моменты переключения сигналв с датчиков Холла.

Я моделировал простейшую "прямоугольную"   трёхфазка - с получением тех же кривых, что и у известных моторов. Если упростить ещё, обнулив индуктивности и некоторые мелочи контроллера, то для фазного тока получим I*r=U-a*w*cos(w*t), +-30 градусов для  w*t.

Диапазон +-30 градусов - следствие такого факта. Обмотки  мотора всегда работают парами, второй член пары подключется к первой обмотке последовательно, когда первая находится в "наилучшей" позиции, а вторая в позиции минус 60градусов от своей наилучшей. Складывая вектора, получим указанный диапазон +-30 градусов.

Прямоугольное управление может дать  КПД не более чем 92%.
Качественно дело заключается в том, что в начале и конце "такта" (+-30градусов) противоЭДС составляет слишком малую  часть постоянного подаваемого напряжения.

А "локальный" (во времени)   КПД в точности равен отношению противоЭДС / U. 

Можно было считать аналитически, но делал численно.
Реально, конечно, дело обстоит хуже - всякие там вихревые токи, гистерезис, потери напряжения в контроллере, "воздушное" и сухое трение....

[Abos]

Про "наши моиоры" понял. Про 30 градусов согласен. А вот про 92% КПД при таком питании - сомневаюсь.

Реально, иаксимальный момент двигателя можно получить только тогда, когда при заданных частоте и уровне действующего напряжения преобразователя регулируют мгновенное значение напряжения преобразователя так, чтобы форма кривой тока преобразователя стала подобной форме пространственной кривой индукции на полюсном делении двигателя.

Вы же питаете двигатель, рассчитанный на работу при синусоидальном токе, питаете прямоугольными импульсами.

Отсюда и повышенные вибрации и шум, уиеньшение момента от действия высших гармонических и еще "всякие бяки".

[nikvic]

Про "наши моиоры" понял. Про 30 градусов согласен. А вот про 92% КПД при таком питании - сомневаюсь.

Реально, иаксимальный момент двигателя можно получить только тогда, когда при заданных частоте и уровне действующего напряжения преобразователя регулируют мгновенное значение напряжения преобразователя так, чтобы форма кривой тока преобразователя стала подобной форме пространственной кривой индукции на полюсном делении двигателя.

Вы же питаете двигатель, рассчитанный на работу при синусоидальном токе, питаете прямоугольными импульсами.

Максимальный момент, как известно, "у нас" получается на старте, когда ЭДС индукции равна нулю 

Именно так, прямоугольниками напряжения, питают звезду обмотки статора большинство контроллеров.  Мои 92% - всего лишь теоретический предел. Реальные МК+контроллер должны быть лёгкими, мощными и дешёвыми. Это означает дополнительные потери в железе и контроллере, так что  КПД уменьшается ещё процентов на 15%.

[Abos]

Да это все понятно! Максимальный момент и у "Ваших" и у других двигателей максимален при пуске, если Вы подадите на него максимальное напряжение (в этот момент противо-ЭДС отсутствует). Но при этом будет и максимальный эл. ток. Не всегда он приемлем, поэтому его часто ограничивают (тем же контроллером).

Я имел ввиду другое. Для получения лучших результатов нужно "согласовывать" эл. двигатель с преобразователем.

Если двигатель рассчитан на работу от синуса, значит, и ток управления им должен быть синусоидальным. А распределенные обмотки двигателей переменного тока, как правило, предполагают питание именно синусоидальным током.

[nikvic]

Да это все понятно! Максимальный момент и у "Ваших" и у других двигателей максимален при пуске, если Вы подадите на него максимальное напряжение (в этот момент противо-ЭДС отсутствует). Но при этом будет и максимальный эл. ток. Не всегда он приемлем, поэтому его часто ограничивают (тем же контроллером).

Я имел ввиду другое. Для получения лучших результатов нужно "согласовывать" эл. двигатель с преобразователем.

Если двигатель рассчитан на работу от синуса, значит, и ток управления им должен быть синусоидальным. А распределенные обмотки двигателей переменного тока, как правило, предполагают питание именно синусоидальным током.

Ноль новой информации.