BLDC (non-Hub) и крутящий момент

[istarion]

Приветствую

В процессе поиска подходящего двигателя для проекта, возник ряд вопросов относительно бесщеточных двигателей постоянного тока (non-Hub).

1. Вес BLDC двигателей равных мощностей, оборотов в минуту и рассчитанных на равное напряжение может кардинально различаться... Разница лишь в отношении крутящего момента к единице силы тока?

2. Как определить необходимый крутящий момент и подобрать наименее тяжелый BLDC двигатель? (вес ТС с водителем - 100 кг, диаметр колес ~10"-12", ориентировочная скорость 45+ км/ч)

[zap]

1. Как правило, разница в длине корпуса. BLDC двигатели одного "типоразмера" (как правило, это длина грани квадратного сечения двигателя "влоб" - 57, 80, 90мм итд) делаются обычно трёх-четырёх длин. Соответственно, чем длиннее магниты и обмотки, тем выше момент и мощность.

2. Вес водителя и диаметр колёс имеет значение только для разгона, максималка от этого почти не зависит.

Если брать устройство с площадью фронтального сопротивления как у лисапеда, то для движения со скоростью 45 км/ч нужна мощность порядка 1 кВт, независимо от диаметра колёс. Вообще, на скоростях свыше 25-30 км/ч основная мощность уже идёт на преодоление сопротивления воздуха, и чем быстрее тем хуже.

Мощность двигателя легко посчитать из момента: P=M*ω, где M=момент на валу, ω=частота вращения (рад/с).
Например, если момент на валу 2 Н*м, а номинальная частота вращения 3000 об/мин, то мощность P=2*3000*0.105=630Вт (0.105 - коэффициент для пересчёта "оборотов в минуту" в "радианы в секунду").

А вообще, советую вместо BLDC использовать модельные аутраннеры. У них удельная мощность наивысшая, там и магниты неодимовые (в BLDC часто из экономии ставят ферромагнтиы), и они аутраннеры (немного неудобно что вращается внешний корпус, но зато выше удельная мощность), и выбор большой, и контроллеры доступны и дёшевы (см. hobbyking.com).

[aleks17121960]

Циклон 1.5кВт весит 4.5кг,не имеет редуктора(3200-3500об/мин),зато имеет на валу звезду с фривилом.Это намного лучше рекуперации,экономит до 15% АКБ.Но можно и рекуперацию-при замене звезды на безфривильную(колхозить придется).Эфект регена у Циклона-рывок,дальше плавное торможение.Штатная звезда-7з,под основную дорожную цепь,можно заколхозить под мопедную,можно так оставить.Для 45км/ч надо около 800Вт,так что движок греться не будет,зато будет бодро разгоняться.Контроллер-Келли,в нем есть функция регена,35А достаточно,у него максималка 100А.Кроме Циклона-только мощные от 2.5кВт,что тяжело и не нужно,или китаицкие клоны от 8-9кг.

[aleks17121960]

Это в какие БЛДСы ферромагниты ставят?Почему не знаю?КПД всех БЛДСов,что за эти годы находил в нете,не хуже 86%,типичное-90%,на ферруме это невозможно.

[zap]

Я разбирал какой-то попавшийся, магниты чёрные слабенькие в ротор "вплавленные".
BLDC ведь много кто делает.
КПД от материала магнита не зависит никак. От материала магнита зависит удельная мощность.
Киловаттный мак/бафанг весит 4кг, имеет на валу звезду с фривилом и даёт низкие удобоваримые обороты
Рекуперация зло только для высокооборотных моторов, на мотор-колёсах всё ништяк Впрочем, если бы контроллер давал плавную рекуперацию, как в Максе, вполне можно было бы использовать рекуперацию и на высокооборотных двигателях... правда, там возникает проблема с передачей, в которой надо делать переключаемую блокировку фривила для наката.

[aleks17121960]

Я и говорю:китаицкие клоны-бяка.Блокировку фривила заколхозить-сложновато.Так что выбирать придется:или тормозить регеном,лишившись нормального наката,или жечь тормоза с фривилом,зато накат шикарный.Для самоката,мне каэтца,накат важнее.Дело в том,что хороший БЛДС и без регена тормозит неплохо.

[mr.Dream]

вместо BLDC использовать модельные аутраннеры

модельные аутраннеры тоже BLDC (это вообще общая категория бессчеточных двигателей постоянного тока)
Кроме того, у аутраннеров с охлаждением хуже, чем у инраннеров. Да и крепить их тяжелее, и передачу организовать в случае с модельными. Да и плотность мощности у них выше из за высоких оборотов, если сравнивать с МК Надо будет думать над хорошей редукцией.

[zap]

модельные аутраннеры тоже BLDC (это вообще общая категория бессчеточных двигателей постоянного тока)

Я в курсе, но на практике так сложилось что под BLDC имеют в виду промышленные двигатели стандартных типоразмеров.

Кроме того, у аутраннеров с охлаждением хуже, чем у инраннеров. Да и крепить их тяжелее, и передачу организовать в случае с модельными. Да и плотность мощности у них выше из за высоких оборотов, если сравнивать с МК Надо будет думать над хорошей редукцией.

У авиамодельных с охлаждением всё нормально они наскрозь дырявые. Это тоже надо будет как-то лечить, кожух какой-то приспособить, не забыв оставить корридорчик для прокачки воздуха через двигатель.
Плотность мощности у аутраннера по сравнению с инраннером выше по нескольким причинам, это обсуждали уже в какой-то теме.
Про рекуперацию [user]aleks17121960[/user] советует забыть, и я склонен с ним согласиться - гемморно очень.

Крепятся они стандартно - болтами в переднюю стенку двигателя, и передача делается обычным образом - у модельных аутраннеров крутится вал относительно передней стенки. На вал насаживаем звезду и вперёд. Единственное, что надо чем-то защитить окружающих от вращающегося корпуса

[istarion]

Как правило, разница в длине корпуса. Соответственно, чем длиннее магниты и обмотки, тем выше момент и мощность.

Размер, внешний вид и вращающийся корпус двигателя для меня особого значения не имеют, в отличии от веса...

Мощность двигателя легко посчитать из момента: P=M*ω, где M=момент на валу, ω=частота вращения (рад/с).

Из формулы следует, что при 1kw=M*(3000*0.105), значит M=1000/315=3,17. Следовательно, для достижения ТС (общим весом 100кг) скорости 45 км/ч необходим крутящий момент двигателя ≥3,17 Н*м?

А вообще, советую вместо BLDC использовать модельные аутраннеры.

Значения крутящего момента двигателей на сайте не нашёл... они там указаны?

Циклон 1.5кВт весит 4.5кг,не имеет редуктора (3200-3500об/мин),зато имеет на валу звезду с фривилом. Для 45км/ч надо около 800Вт,так что движок греться не будет,зато будет бодро разгоняться.

Меня не смущает необходимость конструировать редукторную систему или менять звезды. Долгое время питать двигатель током свыше 20А относительно компактная батарея точно не сможет, а значит и на номинальной мощности (где достигается максимальная эффективность) двигатель работать не будет. Поэтому я ищу двигатель ориентированный на конкретные показатели.

Так что выбирать придется: или тормозить регеном, лишившись нормального наката, или жечь тормоза с фривилом, зато накат шикарный

Правильно ли я понял, что при движении "накатом", с использованием обгонной муфты (фривил), сила тока потребляемая двигателем будет значительно меньше номинальной? В то же время, рекуперативный тормоз (реген) на первой ступени (слабый) не доведет ТС до полной остановки а лишь ограничит максимальную скорость движения "под горку"?

Про рекуперацию  aleks17121960 советует забыть, и я склонен с ним согласиться - гемморно очень.

Сделать бы ее ещё и автоматической =)

[zap]

Как правило, разница в длине корпуса. Соответственно, чем длиннее магниты и обмотки, тем выше момент и мощность.

Размер, внешний вид и вращающийся корпус двигателя для меня особого значения не имеют, в отличии от веса...

Ну так вес прямо пропорционален длине корпуса.

Мощность двигателя легко посчитать из момента: P=M*ω, где M=момент на валу, ω=частота вращения (рад/с).

Из формулы следует, что при 1kw=M*(3000*0.105), значит M=1000/315=3,17. Следовательно, для достижения ТС (общим весом 100кг) скорости 45 км/ч необходим крутящий момент двигателя ≥3,17 Н*м?

Да. Либо Вы можете форсировать двигатель по оборотам (добавив напряжение питания) и "выжав" из него 4000 об/мин, тогда Вам хватит двигателя с моментом всего 2.4 Н*м.

А вообще, советую вместо BLDC использовать модельные аутраннеры.

Значения крутящего момента двигателей на сайте не нашёл... они там указаны?

Там всегда приведён kV, а он напрямую связан с моментом.
А именно:

Код Выделить Развернуть

M = I / (0.105 * kV)
где M - момент, I - фазный ток, kV - коэффициент об/мин на каждый вольт.

Теперь берём из описания двигателя максимальный ток и получаем максимальный момент.
К примеру, рассмотрим такой двигатель.
Масса: 0.347 кг
kV: 580
Максимальный ток: 90A
Максимальный момент: M = 90/(0.105*580) = 1.4778 Н*м

Запитав такой двигатель от 12 вольт, получим порядка 7000 об/мин на ХХ и процентов на 25 меньше под нагрузкой, ну скажем 5000 об/мин. Умножив обороты на момент получаем мощность 776 ватт.

Также там приведена мощность при определённом напряжении питания, можно проверить наши выводы по этим параметрам:
Максимальная мощность: 2000W @ 22.2v

Как мы уже знаем, P=M*ω, значит M = P/ω = 2000/(22.2*580*0.105) = 1.5 Н*м
Конечно, нельзя так просто вычислить обороты как это сделал я, просто умножив напряжение на kV - в реальности под нагрузкой обороты будут ниже, соответственно реальный момент на самом деле выше. Но на 1.5 Н*м можно закладываться как на минимум для данного двигателя.

Циклон 1.5кВт весит 4.5кг,не имеет редуктора (3200-3500об/мин),зато имеет на валу звезду с фривилом.

Звезды с фривилом на валу двигателя надо избегать. Фривил надо ставить на низкооборотные звёзды, как минимум на шатунах. Чем выше обороты, тем быстрее выходит из строя фривил.

Меня не смущает необходимость конструировать редукторную систему или менять звезды. Долгое время питать двигатель током свыше 20А относительно компактная батарея точно не сможет, а значит и на номинальной мощности (где достигается максимальная эффективность) двигатель работать не будет. Поэтому я ищу двигатель ориентированный на конкретные показатели.

Надо смотреть не ток, который может выдать "относительно компактная батарея", а мощность, которую она может выдавать.
Две батареи, собранные из одного и того же количества народных котлет выдаст либо 50В/20А, либо 16.7В/60А и при этом будет работать в одинаково сложном для себя режиме. Другой вопрос, что на больших токах увеличиваются потери на проводах.

Поэтому среди модельных ищите двигатель с минимальным kV, они дают самый большой момент на каждый ампер тока.
Например, вот такой двигатель c kV=270. Если посчитать по быстрому "минимальный максимальный момент" по методикам выше, получим 2.86 Н*м по одной методике и 3.17 Н*м по другой. Взяв усреднённые 3 Н*м получаем, что желаемый киловатт достижим всего лишь при 3200 RPM, напряжение питания при этом будет в районе 15В, вполне хватит 4S народных котлет; ток при этом будет порядка 70А, значит надо запараллелить минимум 3-4 народные котлеты и дело в шляпе.

При этом вес движка всего полкило. Сравните с 4.5-килограммовым Циклоном.

[istarion]

M = I/(0.105*kV)
P = M*ω

где M - момент, I - фазный ток, kV - коэффициент об/мин на каждый вольт, ω - частота вращения (ω = U*kv*0,105)

На примере данного двигателя.
Масса: 0.840 кг
kV: 149
Максимальный ток: 70A

M = I/(0.105*kV) = 70/(0.105*149) = 4.474 Н*м
M = P/ω = 2250/(44*149*0.105) = 3.268 Н*м

Звезды с фривилом на валу двигателя надо избегать. Фривил надо ставить на низкооборотные звёзды, как минимум на шатунах. Чем выше обороты, тем быстрее выходит из строя фривил.

Что, в таком случае, менее целесообразно? (фривил на узле с 3000 об/с или же рекуперация)

При этом вес движка всего полкило. Сравните с 4.5-килограммовым Циклоном.

В чем же тогда причина столь большой разницы?

[zap]

Масса: 0.840 кг
kV: 149
Максимальный ток: 70A

M = I/(0.105*kV) = 70/(0.105*149) = 4.474 Н*м
M = P/ω = 2250/(44*149*0.105) = 3.268 Н*м

И в чём здесь вопрос?

Кстати, по второй формуле результат получается ближе к истине если умножить обороты (kV * U) дополнительно на 0.75. Как правило, максимальную нагрузку считают нагружая двигатель пока у него обороты не упадут на 20-30%.

В данном случае M = P/ω = 2250/(44*149*0.105*0.75) = 4.358 Н*м

Звезды с фривилом на валу двигателя надо избегать. Фривил надо ставить на низкооборотные звёзды, как минимум на шатунах. Чем выше обороты, тем быстрее выходит из строя фривил.

Что, в таком случае, менее целесообразно? (фривил на узле с 3000 об/с или же рекуперация)

Целесообразнее фривил на медленно вращающейся звезде редуктора. Например, в кареточном узле как это сделано у [user]rzaviy[/user].

При этом вес движка всего полкило. Сравните с 4.5-килограммовым Циклоном.

В чем же тогда причина столь большой разницы?

а) Аутраннер против инраннера
б) Модельный двигатель максимально облегчён - люминевый корпус , Циклон - промышленный чугуний, задача облегчения не стояла.
в) Дырки для вентилляции

[nikvic]

При этом вес движка всего полкило. Сравните с 4.5-килограммовым Циклоном.

В чем же тогда причина столь большой разницы?

В оборотах.
Ну и ресурсе, охлаждении, КПД: для модельщиков мощность важнее КПД. Максимальная мощность - около 50% КПД при около 50% ХХ. Их контроллеры не ограничивают токи.

[zap]

В оборотах.

Неа, я считал для 3200 RPM, это как раз рабочая скорость Циклона.

Ну и ресурсе, охлаждении, КПД: для модельщиков мощность важнее КПД. Максимальная мощность - около 50% КПД при около 50% ХХ. Их контроллеры не ограничивают токи.

Нормально там всё с ресурсом, если не разгонять их до номинальных 8000 RPM. На 3000 RPM модельный движок будет работать долго и счастливо, особенно если ещё контроллер человеческий им сделать. Можно даже полный контроллер не делать, но лишь довесок который будет замерять батарейный ток и крутить "ручку газа" туда-сюда, не допуская перегрева обмотки.

Насчёт КПД тоже непонятно откуда такие данные. КПД моделистам ещё важнее чем электровелосипедистам, у них время полёта исчисляется минутами... каждая лишняя минута на вес золота. Думаю, имея нормальный контроллер вполне можно подобрать такой рабочий режим, чтобы КПД было "обычные" 80-90% в крейсерском режиме.

[nikvic]

Насчёт КПД тоже непонятно откуда такие данные. КПД моделистам ещё важнее чем электровелосипедистам, у них время полёта исчисляется минутами... каждая лишняя минута на вес золота.

За эти минуты нужно выдать пропеллеру максимум энергии при общем ограничении веса мотор+батареи. Сколько уйдёт при этом в тепло - неважно.

[zap]

Насчёт КПД тоже непонятно откуда такие данные. КПД моделистам ещё важнее чем электровелосипедистам, у них время полёта исчисляется минутами... каждая лишняя минута на вес золота.

За эти минуты нужно выдать пропеллеру максимум энергии при общем ограничении веса мотор+батареи. Сколько уйдёт при этом в тепло - неважно.

Ну так номинальное КПД - это всего лишь вопрос выбора рабочей точки. Максимальное же КПД - величина фиксированная для данной конструкции, вот её и надо смотреть.

[nikvic]

Ну так номинальное КПД - это всего лишь вопрос выбора рабочей точки. Максимальное же КПД - величина фиксированная для данной конструкции, вот её и надо смотреть.

Вопрос был - откуда у модельного столь высокая удельная мощность.
Главных причин - две, высокие обороты и пренебрежение КПД.
Есть возражения?

[zap]

Ну так номинальное КПД - это всего лишь вопрос выбора рабочей точки. Максимальное же КПД - величина фиксированная для данной конструкции, вот её и надо смотреть.

Вопрос был - откуда у модельного столь высокая удельная мощность.
Главных причин - две, высокие обороты и пренебрежение КПД.
Есть возражения?

Есть.
Циклон после редуктора 1:9.5 даёт момент порядка 10 Н*м.
Модельный двигатель без редуктора выдаёт 2-3-4 Н*м, при весе на порядок меньше.
Собственно, вопрос и возник оттого, что модельный движок весом в пол-кило выдаёт ту же мощность что и 4.5кг Циклон на тех же 3000 оборотах (а не на номинальных 7000-8000 об/мин где у них КПД, вполне возможно, не фонтан).

Предупреждая Ваше возражение, что эти 2-3-4 Н*м приведены для отвратного КПД, сошлюсь на этот двигатель, к примеру. При номинальных 70А тока и сопротивлении обмоток всего 21 миллиом, потери на обмотках составят всего 100 ватт, при том что на этом токе он развивает мощность в 2250 ватт. То есть на долю потерь в обмотках приходится всего 5%.