Асинхронник с фазным ротором в колесо велосипеда

[mikhail-bar]

Привет всем!
Полгода назад на этом форуме я от пользователя Бурелом услышал идею использования электропривода с двигателем с фазным ротором. В теме  https://electrotransport.ru/index.php/topic,3262.0.htm есть некоторая инфа.
В энциклопедии в разделе фазный ротор общие понятия http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0
Насколько я понимаю, это наиболее совершенный из всех существующих электродвигатель в плане возможности получения хорошего КПД в довольно широком диапазоне скоростей при номинальной тяге.
Я заинтересовался таким типом привода и собираюсь попробовать сделать мотор-колесо, прямой безредукторный привод весом 1-2 кг 100-200Вт. Серийных образцов такой маленькой мощности я не нашел, самый маленький двигатель 5 кВт вроде, с контроллером еще сложнее.
Примерно я вижу все это следующим образом: две трехфазные обмотки с одинаковым количеством полюсов и потребляемым током, одна статор, вторая ротор, вставляются друг в друга. Естественно добавляются три щётки. Контроллер выдает две одинаковые трехфазные мощности на разных частотах, так чтобы скольжение магнитного потока не превышало допустим 10%. При таком скольжении КПД и момент ожидаются нормальными даже при маленькой скорости  вращения. Ну и пару датчиков надо добавить, чтобы знать этот самый момент и текущую скорость. Да и рекуперацию потом реализовать как-нибудь.

Собственно интересует Ваше мнение по этому вопросу в целом, получится ли это всё лучше существующих мотор-колес например? Может кто уже делал подобное?

[бурелом]

Асинхронных двигателей с фазным роторм на мощности 100-200 вт в природе скорее всего не существует. Тут придется что-то делать самому. Можно попробовать такой вариант- более мощный двигатель сняв с него обмотки распилить на узкие кольца. Как бы укоротив двигатель в длинну, сделав длинну двигателя равной ширине колеса. Затем снова намотать обмотки и заменить вал на роторе на более короткий. Единственный минус, вода может попасть на кольца. Если у вас получиться, то тянуть с места будет лучше чем сериесный движок. И еще пожелание, управление частотой делайте с обратной связью по току. Чтобы задавать прикладываемую к движку мощность.

[mikhail-bar]

Бурелом, спасибо за желание помочь. Я вот думаю вообще разработать двигатель почти с нуля. В качестве обмотки ротора например можно взять обмотку статора генератора ВАЗ2110. Я ее уже купил, но она оказалась тяжеловата. 12 пар полюсов, внутренний диаметр 95-95,5 мм (яйцо), внешний 125мм, ширина 60 мм, вес точно не помню, в районе 1кг.
Вторую обмотку, а скорее и две сразу, раз на то пошло, вообще самостоятельно спроектировать. Планирую использовать для этого программу ELCUT, правда пока еще не разобрался в ней. Думаю как магнитопроводы лучше изготовить, наверно надо купить железо и в лазерную резку. Щетки опять-же от гены 2110, от обмотки возбуждения, максимальный пиковый ток 5А. Контактные кольца из бронзовых втулок для ремонта стартеров...

Пока также мне не понятно в каком направлении пойдет ток через обмотки при начале движения. Обе будут потреблять или одна потребляет а вторая возвращает мощность скольжения? 

[бурелом]

Обе обмотки будут потреблять ток. Примерно пополам, если обмоточные данные одинаковы. Частоту эл. генераторов подобрать 400-500 гц. При такой частоте будет меньше витков в обмотке и потери в железе еще не сильно увеличатся. Кроме того снимаемая с движка мощность растет пропорционально частоте. Хотя у вас по железу запас мощности и так многократный. При такой частоте (400-500 гц) с этого железа можно снять 4 квт.

[mikhail-bar]

Получается при колесе 26 дюймов, скорости 40км/ч и при 12 пар полюсов магнитное поле одной обмотки при нулевой частоте во 2-й будет вращаться с частотой 64 Гц. Получается, что рекуперация не будет работать, если подать постоянный ток на одну из обмоток, а с другой пытаться снимать. Тот же авто-генератор начинает выдавать свой номинальный киловатт при 6000 rpm, а тут максимальная скорость вращения 320 rpm. Мощность будет ничтожно мала.

[бурелом]

За счет увеличения тока возбуждения увеличивается напряжение на выходе, а соответственно и мощность. Ведь в авто на холостых оборотах (800 об/мин) генератор прекрасно работает, хотя там одна пара полюсов. Напряжение на выходе это функция оборотов и тока возбуждения. Если одно уменьшается другое должно увеличиться.

[mikhail-bar]

Так-то оно так, но всё таки эти вещи нельзя так напрямую сравнивать. Для наглядности, благо только для деталей отечественного автопрома можно найти достаточно информации
Вот статор http://avtopasker.ru/goods/10255.htm
а вот ротор http://avtopasker.ru/goods/14667.htm
1. Во-первых полюсов у этого ротора больше двух (12?),
2. коэффициент передачи ремня 2.5 вроде, то есть рабочие обороты лежат в диапазоне 2000-15000 об/мин, а в нашем случае от 0(ну не от ноля естественно, от какого-то минимума) до 320 об/мин,
3. вес чудо-ротора 2,3 кг, что почти в два раза больше статора
4. на холостом ходу генератор не вырабатывает полную мощность, лишь достаточною чтобы не допустить разряда авто-аккумулятора
Получается постоянное магнитное поле возбуждения должно быть где-то на два порядка больше чем в заводском генераторе. Получить его из эквивалента обмотки статора не представляется возможным.

Теоретически  возбуждение может быть и переменным. Если статор и ротор электрически одинаковые и разница частот в них 10%, то может получиться, что на возбуждение потратится скажем 100 Вт, а сгенерируется 120 Вт. В итоге тоже ничего не выходит.

2 дня назад посмотрел обучающий видеоролик про ELCUT - прога что надо, моделирует полностью все поля в движке, температуру, но надо задавать много параметров, в частности кривую намагниченности железа. Поставил себе бесплатную студенческую версию, сейчас разбираюсь.

С этим самым железом для магнитопроводов - я не пока не зная откуда его взять, в продаже нигде не нашел. Надо для моделирования хотя-бы задаться каким-то конкретным материалом.

[бурелом]

В интернете есть " Инженерный справочник " DPVA в нем есть данные на очень многие материалы, посмотрите там.

[mikhail-bar]

Изучаю, но пока ничего не нашел там. В общем главное что сейчас купить/достать можно.
В продаже пока нашел только разные ферритовые кольца мю=200-2000, это конечно меньше чем 7000 у электротехнического железа. Где-то кстати обсуждалось изготовление магнитопровода из ферритового порошка.

Решил упростить электрическую схему, сделав питание движка более простым. Я думаю сделать статор и ротор с 12 и 13 парами полюсов. Прям соединю их параллельно и к ним одно трёхфазное питание, магнитные поля будут вращаться с небольшой разницей скоростей.  Конечно это сузит диапазон возможных режимов, зато гораздо проще. Частота тока питания 768-832 Гц соотв 0-40 км/ч + запас вверх нужно добавить, чтобы он смог набрать максимальную скорость.

[mikhail-bar]

Частота тока питания 768-832 Гц соотв 0-40 км/ч

от 0 до 832 Гц я имел ввиду. По управлению будет похоже на обычный асинхронный со 144 парами полюсов  , так что ли?.

[бурелом]

По поводу ферритов могу сказать, чтобы добиться соотношения мощность/вес как у железа, надо частоту делать несколько десятков килогерц. Читал изследования с подробными расчетами и данными сведенными в таблицу. Там разсматривались - эл. железо, аморфное железо, пермалой, и феррит, причем все по несколько образцов разных марок. Что касается двигателя, то о чем вы пишите, это уже не асинхронный двигатель, а шаговый. У него и КПД поменьше и в области малых оборотов проблемы, как и у всех. Асинхронники с фазным ротором применяют в сельсинах, это такой привод для дистанционного управления. Там исполнительный двигатель развивает огромные моменты при практически нулевых оборотах. На них там подают 50 гц, но можно и 5000, обороты от этого не изменятся, а вес уменьшиться значительно. Про сельсины можно посмотреть в википедии.

[бурелом]

Для велосипеда возможен синхронный двигатель открытого типа. Для этого надо взять обод не алюминиевый, а стальной. На торцевой поверхности наклеить магниты от мебельных защелок. Лучше с обеих сторон. На вилке, вместо крыла, закрепить 3 магнитопровода с обмотками, чтобы они замыкали магнитные поля магнитов. Главное соблюсти шаг этих магнитопроводов. Количество пар полюсов, за счет длины обода, будет очень большое. Соответственно частоту генератора можно сделать достаточно большую. Рычаг приложения силы будет тоже достаточно большим, за счет этого момент тоже вырастет в разы.

[mikhail-bar]

ясно. Феррит в топку.

Синхронный открытого типа, согласен, что это неплохой альтернативный вариант. По сути классическое мотор-колесо, вывернутое на 90 градусов и без корпуса. Само по себе отсутствие корпуса уже позволяет снизить вес до минимума плюс чем больше диаметр тем лучше, а он тут больше некуда. А почему 3 магнитопровода? Я так представляю на месте тормозных колодок, что трутся об обод, просто по куску линейного двигателя. Симметрично всё сделать, чтобы обод не гнулся при тяге. Воздушный зазор меньше 1-2 мм не получится правда из-за возможной грязи и неидеальности обода. Я полагаю, материал обода может быть любой практически сталью, не обязательно электротехнической.

[mikhail-bar]

чем больше думаю на эту тему, тем меньше хочется что-то делать. Пока пришел к следующим умозаключениям:
1. Сравнение бесколлекторного мотора постоянного тока и этого агрегата. Возьмем bldc и заменим в нем постоянные магниты на обмотку, симметричную существующей. Я разобрал авиамодельный БК и выяснил что вес статора примерно в 1.5 раза больше ротора, то есть магниты весят меньше. Нам еще щеточный узел надо добавлять, в итоге наш мотор будет на глазок в 1.5 раза тяжелее, но момент при этом будет выдавать тот же самый. Единственное на чем можем отыграться это на КПД в режиме разгона, но КПД на больших скоростях получается даже хуже, двойные потери в железе по сути.
2. Материал магнитопровода тут http://banned_link/forum/viewtopic.php?f=3&t=223&p=39187#p39187 еще обсуждается с стр 63 до 66.  Всё же прессованный порошок не так уж плох, правда придется поднять частоты до 10-20 кГц, соответственно проблемы с формированием синуса.
3. В асинхронном режиме ничего не будет работать, то есть будет, но КПД никакой. Если брать синхронный режим. Надо точно измерить угол поворота двигателя и его скорость, то есть использовать абсолютный энкодер. Частоты в обмотках должны задаваться очень точно, чтобы результирующее поле имело скорость равную скорости двигателя. Наличие тяги будет определяться фазовым сдвигом, который надо проверять и корректировать изменением мгновенной частоты.

[бурелом]

По первому пункту могу возразить, если магнитопровод ротора делать в виде тора, т. е. полым внутри, то ротор будет легче. Просто технологически его легче делать монолитным. По второму пункту могу сказать, с формированием синусоиды на 20 кгц есть вариант. Я его попытаюсь сформулировать и переслать. По третьему пункту, логику управления двигателем я мыслю следующим образом. Разница в частоте между ротором и статором зависит от тока потребляемого двигателем, при увеличении тока уменьшается разница частот. А скорость движения задается током потребляемым двигателем. Т. е. задается опорная величина, сравнивается с реалным током двигателя и по результату сравнения корректируется разность частот между ротором и статором.

[mikhail-bar]

Никак не разберусь, точно ли нужен синхронный режим. Размышляя, взял опять авиамодельный мотор, там  12 пазов магнитопровода и 14 магнитов. Если он синхронный,  то как напротив  каждого из 4х полюсов с фазой А магнит может быть в уникальном положении. Где-то обсуждалось это, пойду поищу.

[бурелом]

Никак не разберусь, точно ли нужен синхронный режим. Размышляя, взял опять авиамодельный мотор, там  12 пазов магнитопровода и 14 магнитов. Если он синхронный,  то как напротив  каждого из 4х полюсов с фазой А магнит может быть в уникальном положении. Где-то обсуждалось это, пойду поищу.

В этом двигателе немного другой режим. За один оборот вращающегося поля ротор поворачивает на 1/7 оборота. За счет несовпадения шага полюсных делений идет поворот на разницу между ними. Таким образом добиваются увеличения частоты питающего напряжения при неизменных оборотах.

[mikhail-bar]

Никак не разберусь, точно ли нужен синхронный режим. Размышляя, взял опять авиамодельный мотор, там  12 пазов магнитопровода и 14 магнитов. Если он синхронный,  то как напротив  каждого из 4х полюсов с фазой А магнит может быть в уникальном положении. Где-то обсуждалось это, пойду поищу.

В этом двигателе немного другой режим. За один оборот вращающегося поля ротор поворачивает на 1/7 оборота. За счет несовпадения шага полюсных делений идет поворот на разницу между ними. Таким образом добиваются увеличения частоты питающего напряжения при неизменных оборотах.

А.., понял. там же не трехфазный синус питает, там в нужный момент прямоугольники приходят только на часть обмоток, в итоге они всегда вовремя.

Еще такой момент касательно фазного ротора - количество полюсов. Сначала я предлагал две симметричные обмотки с 2р=12. Сейчас я подумал, а зачем нужно столько полюсов? В отличие от других моторов мы можем использовать любые частоты, соответственно более логично уменьшить диаметр и увеличить ширину насколько возможно. 2р можно вообще взять 1, по сути от этого ничего не меняется, количество меди то же самое, зато наматывать проще.  Эти подходы позволят минимизировать массу корпуса, убрав конструкционные элементы которые только фиксируют  тонкие обмотки на большом диаметре.