Бесколлекторные двигатели произвели революцию во многих областях – начиная с гибридных автомобилей и заканчивая радиоуправляемыми вертолетами. Бесколлекторные двигатели имеют КПД (коэффициент полезного действия) около 93% и развивают небывалую мощность. В этом выпуске мы попытаемся вникнуть в физические аспекты бесколлекторных двигателей и понять, как работает бесколлекторный двигатель. Возможно, многих из вас удивлял принцип работы электронного контролера скорости (ЭКС). А что такое тайминг? Как контролируется скорость? Что означает Kv? Мы попытаемся дать ответ на эти и другие вопросы.

Электрические моторы – Все о магнитах

Электрические моторы работают благодаря магнитному полю. В электромоторах используются два типа магнитов, называемых постоянными и электромагнитами, которые притягиваются и отталкиваются друг друга. Постоянный магнит, как следует из его названия, образует магнитное поле постоянно. Электромагнит создает магнитное поле только при подаче электрического тока на его обмотки. У каждого магнита есть два полюса: южный (положительный) и северный (отрицательный). Противоположные полюса притягиваются друг к другу, одноименные – отталкиваются.

Магниты в моторе расположены таким образом, что бы благодаря притяжению и отталкиванию одного магнита от другого приводился во вращение вал двигателя. Для поддержания вращения магнитное поле, по крайней мере, одной группы магнитов, должно вращаться вместе с мотором. Вращение магнитного поля – это основа. Существует два способа создания вращающегося магнитного пола в электрических моторах: электронно (бесколлекторные двигатели) или механически (коллекторные двигатели). В коллекторных двигателях магнитное поле изменяется механически с помощью якоря и щеток, скользящих по коллектору. При этом происходит циклическое изменение тока, протекающего через электромагнитные кольца, с обратного на прямой и наоборот, благодаря чему направление магнитного поля изменяется каждый раз при смене направления тока.

Коллекторные моторы имеют преимущество, в виде возможности контроля скорости вращения с помощью простейшего переменного резистора. Недостатками коллекторных моторов являются относительно низкий КПД и необходимость регулярного обслуживания из-за трения и износа щеток.

В бесколллекторных двигателях изменение магнитного поля происходит с помощью электронного контролера скорости (ЭКС; ESC). Постоянный магнит, закрепленный на вращающемся роторе (in-runner), или на вращающемся колоколе (out-runner), притягивается каждую фазу, что приводит к его вращению вместе с его магнитным полем.

Все о тайминге

Для того, что бы вращающееся магнитное поле было в фазе с корректным магнитом на роторе, электронный контролер скорости должен определить положение и скорость вращения ротора. Наиболее распространены два метода получения этих данных. Один метод основан на использовании оптических или магнитных датчиков (датчики Холла), подобно тем, которые используются в контролерах оборотов нитродвигателей (гувернерах). В другом методе (без сенсоров) для определения положения ротора и скорости его вращения проводят регистрацию обратных электромагнитных полей (back electromagnetic field pulses - EMF) генерируемых во время каждой из трех фаз. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Мы рассмотрим второй метод более подробно, так как он получил наибольшее распространение в бесколлекторных двигателях, устанавливаемых на моделях вертолетов.

Обратные электромагнитные поля – Разницы между моторами и генераторами не существует.

Перед объяснением принципа работы бесколлекторных моторов без датчиков, нам необходимо обсудить обратные электромагнитные поля. Во время вращения ротора якоря с обмотками проходят рядом с магнитами, что приводит к появлению электрического тока в обмотках, подобно работе электрогенератора. В действительности, электромоторы это генераторы только наоборот. В обмотках без напряжения, вращающихся рядом с постоянными магнитами, генерируется электрический ток. Электронный контролер скорости регистрирует подаваемое на обмотку напряжение и возникающие обратные электромагнитные импульсы в процессе вращения.

Контролеры скорости без датчиков работают на основе расчета времени в каждой фазе между импульсом напряжения питания и импульса обратного электромагнитного поля. «Нулевой отсчет» - это точка начала отсчета и определяется, как отсутствие напряжения (0 В) на обмотке. Это средняя точка между подачей импульса напряжения питания и импульсом обратного электромагнитного поля. В этой точке, электронный контролер скорости точно знает положение каждого магнита и использует эту информацию для определения фазы и куда подать следующий импульс напряжения питания.