Главная » Автоматика в быту
Призовой фонд
на ноябрь 2019 г.
1. Регулируемый паяльник 60 Вт
Сайт Паяльник
2. 500 руб
Сайт Паяльник
3. 200 руб.
От пользователей

Двигатель и контроллер для электросамоката своими руками

В этой статье я расскажу как в домашних условиях сделать мощный двигатель для самоката или детского электромобиля с высоким КПД и простой контроллер к нему.

Первое что вас шокирует это то, что в этом двигателе не будет железа. Не нужно нарезать пластины статора или ротора на лазерном оборудовании, собирать в пакеты и подгонять всю конструкцию к микронной точности. Это обычно мешает обычным людям создавать самим двигатели. Вы удивитесь насколько проста конструкция и не поверите полученным от нее характеристикам.

Обычно вбивая в поиск на ютубе например "электродвигатель своими руками" вы видите катушку и магнит и это вращается и все знают, что да это работает, но кпд там ничтожный и нормальную тягу создать не может. Но, все ошибаются, на самом деле используя правильно катушку и магнит можно сделать мощный двигатель с высоким кпд.

С чего все начиналось. Когда-то просматривая патенты на двигатели я обратил внимание на двигатель из катушки внутри которой вращался длинный магнитный стержень закрепленный на валу, такая конструкция не приобрела распространение по причине низкого кпд из за слабых магнитов которые были в то время и немного неправильной конструкции. Забегая наперед скажу какой должна быть идеальная конструкция двигателя - магнит сферической формы закрепленный на оси полюсами перпендикулярно оси вокруг него располагается круглая катушка квадратного сечения (через нее проходит ось поэтому можно ее разделить на 2 части и разместить ближе к оси) - все - конструкция готова, остается закрепить все в корпусе и получится двухтактный двигатель. Правда найти такой магнит в продаже мне еще не удавалось но если все начнут делать такие двигатели то скоро появятся.

Сейчас в продаже есть магниты цилиндры диаметрально намагниченные с отверстием по оси, они почти идеально подходят (лучше на сейчас нету), стоят они в общем не дешево но все равно дешевле готовых двигателей раза в 2-5, самые крупные внутри катушки с током (15А 100-200 витков) руками не провернуть уже (за магнит не за ось, а за ось и плоскогубцами не провернуть). Первое опасение мое было когда я запускал такой двигатель на самокате - было, не порвет ли он случайно зубчатый ремень при старте. То-есть понимаете что это уже не те игрушечные двигатели с катушкой и магнитом что вы видите на ютубе.

 

Теперь о КПД, оказалось все очень просто и предсказуемо, когда магнит цилиндр (сфера) повернут полюсами к виткам катушки то сила магнитного поля действует на магнит по касательной то-есть перпендикулярно к радиусу создавая максимальный вращательный момент а когда он повернут полюсами по оси катушки то момент равен нулю а это означает что в таком положении если подать на катушку ток он весь 100% пойдет в нагрев и кпд вращения = 0%, а когда он повернут полюсами к катушке то кпд максимум и зависит от установившегося тока при определенной нагрузке. Например если в этой точке при напряжении питания 10в установился ток 1А то полное сопротивление (активное + реактивное) = 10 Ом и если при этом сопротивление самой обмотки 1 Ом то кпд в той точке 90% (ну и соответственно если сопротивление обмотки 0,1 Ом то кпд 99%). Вывод - обмотка должна быть с как можно меньшим сопротивлением и запитывать ее нужно в тех точках где кпд максимальный их однозначно нельзя запитывать когда магнит повернут вдоль оси или почти вдоль оси так как это 90-100% потери (нагрев). И в этом можно убедится если собрать простой драйвер на 2х ключах (схема в конце статьи) и подать управление от микросхемы с почти любого куллера с 4мы выводами (контроллер управления куллером с встроенным датчиком холла и 2мя выходами которые обычно подключают напрямую к обмоткам). КПД будет на уровне 55% (максимум 72,2% минус потери на сопротивлении зависит от нагрузки на двигатель). Вы уже наверно поняли как нужно повышать КПД, сокращать угол запитки со 180 град до 90 - 45 - 30 - 15, чем меньше тем кпд ближе к 100% но снижается тяга. Где разумный предел, получается при 180 угле потребляем 100 вт отдаем в нагрузку 50-70 вт, если сократить угол до 90 то потребляем 50 вт а отдаем в нагрузку 37 - 44 - (максимум 89,97% - потери) кпд выше но отдаваемая мощность ниже при том же напряжении питания, 120 град (будет аналогично 3хфазному теоретический максимум 86% - потери на активном сопротивлении). Нужен двигатель с большой равномерной тягой и кпд 95%? Запросто - берете 6 магнитов на одну ось со смещением угла катушек или магнитов по 30град получаем 6ти фазный 12 тактный двигатель (аналог 12 цилиндровому двс) с кпд до 97.2% который также можно перепрограммировать на любой другой угол фазы и жертвуя кпд поднимать тягу еще в 2-3 раза при необходимости. 

Эскиз ниже показывает конструкцию двигателя и размещение датчиков холла (в примере датчики холла разведены от середины катушки на угол 45 градусов что дает 90 градусов угол запитки обмоток, когда полюса магнита находятся максимально близко к виткам катушки)

Мой двигатель однофазный двухтактный с углом запитки 110 град выдал кпд 87% на скорости 13 км/ч с нагрузкой 92 кг по ровной дороге при этом обмотки заклеенные в закрытом деревянном корпусе за час непрерывной езды нагрелись аж до 41 градуса при среднем потреблении двигателя 88 Вт. Две обмотки по 125 витков в параллель проводом диаметром 0,83 мм, магнит 65 диаметром, 30 высота, внутренний 18 мм ссылка. В сумме меди 260 грамм из расчета на 260 Вт. Мой вес 85 кг (самокат 8кг с двигателем и батареей, легче только из карбона), питание 10х Samsung INR18650-25R = 87 Вт/час (42В максимум с отводом от середины, 2.5 А/ч) мне полного заряда хватает на ~15 км по ровной дороге.

Изначально использовался 1 датчик холла (но я уже тогда знал что это большие потери так как делал такие двигатели и раньше), так двигатель на холостом ходу потреблял 42 Вт (1 А на каждую половину батареи, итого 2*21 или 1*42) и за 2 минуты нагревался до 50 градусов (это без нагрузки), установка 2х датчиков холла снизила ток холостого хода в 10 раз! и он составил 100 мА (4,2 Вт) и греться он перестал. На максимальной нагрузке (езда в горку) ток достигал 6 ампер (>250 Вт) и обмотка разогревалась так что больше пары минут нельзя было ездить а после установки 2х датчиков холла и подачи питания на обмотки только в нужные моменты, согласно рисунку выше, полностью решило проблему перегрева (значительно подняло кпд) и ток при заезде на ту же горку упал в 2 раза (130 Вт)

И так магниты с катушками запакованы в корпус, вал (болт М6 100мм на котором гайками с бортиком, зажимные для колес, через шайбу и резиновую прокладку зафиксирован магнит) закреплен в немагнитных стальных подшипниках (это в идеале, но я использовал обычные дешевые стальные но сила магнитного поля такая что крутятся они с трудом, поэтому лучше сразу нержавейку ставить) и самое главное как его теперь запустить. Я использовал самый простой вариант одна катушка и один магнит - самый дешевый вариант и для самоката подходит идеально, естественно так как запитываем только 90 - 120 градусов сектор на такт то остается незаполненные тягой сектора и стартовать такой двигатель будет с толчка, но это же не вентилятор а двигатель для самоката, оттолкнулся, включил двигатель и поехал, все просто. Если же нужен автопуск то минимум нужно делать 2х фазный 4х тактный, такой поставил в детском автомобиле.

Контроллер

Фраза "шим регуляция" у меня ассоциируется с потерями, запитывать нужно постоянным током чтобы избежать потерь переключения на ключах и не греть диоды в ключах, в общем контроллер может работать с кпд 97% и выше если забыть про шим, а скорость лучше регулировать напряжением питания (например у меня в самокате она фиксированная 13 - 18 км/ч в зависимости от веса ездока). Запитка обмотки двумя тактами возможна или мостом но тогда потери всегда на 2х ключах или полумостом с питанием с отводом от средней точки, выбран именно такой вариант так как в 2 раза уменьшает потери на ключах (всегда катушка включена только через 1 ключ). Еще из плюсов такого полумоста то что обратная эдс при отключении катушки сливается через 1 диод в противоположное плечо и потери на диодах тоже в 2 раза меньше то-есть больше энергии вернется в конденсатор / аккумулятор так же и с рекуперации от скатывания с горки. В итоге получаем полумост + драйвер полумоста + схема управления.

Схема управления

Использование одного датчика хола не дает возможность управлять углом в котором запитывается обмотка, поэтому нужно минимум 2 датчика расположенные таким образом чтоб получать включение обмоток в нужном диапазоне, проще всего сделать угол 90 град (для этого нужно разнести датчики на 45 градусов от витков катушки в обе стороны) тогда пары датчиков хватит на 4 такта (используем только 2 из них для однофазного) . Каждый датчик возвращает 2 позиции которые означают видит ли он северный или южный полюс, так вот когда оба видят северный включаем один ключ, когда оба видят южный второй, при использовании микросхем от куллера - реализуется логикой 2или-не, на входы двух логических элементов подается питание через сопротивления на выходах при этом 0, микросхемы куллера коммутируют входы логических элементов на ноль, когда оба входа на нуле на выходе 1 - включается 1 ключ, и так же когда на втором логическом элементе оба входа на нуле включается другой ключ. Все просто. Учитывайте при выборе микросхемы драйвера куллера (датчик холла) что они есть с защитой от остановки и без, для двигателя поддержки как у меня на самокате лучше использовать с защитой он запустится только при начале езды, но для двигателя который должен стартовать сам нужно выбирать без защиты и делать ее если необходима другим способом (защита от перегрузки по току например).

Микросхем логики у меня не было потому заменил транзисторами. Схема подключения драйвера мосфетов по даташиту.


 

Отладка двигателя

Хочу отметить важные моменты которые уберегут детали контроллера от случайного выжигания. Дело в том что обратная эдс с катушки очень коварная штука, она может спалить всю электронику и драйвер и микросхемы с датчиком холла. Для предотвращения таких ситуаций обязательно должны стоять конденсаторы по входу питания в которые сливается обратная эдс с катушки (через защитные диоды в мосфетах) при случайном отключении батареи, минимум 1000 мкф 50В с низким esr. Также для предотвращения попадания выбросов высокого напряжения на выход драйвера через обратную емкость мосфета, обязательно в цепи затвор исток должен стоять стабилитрон на 13-15В (что ниже допустимого напряжения затвора 20В но выше управляющего напряжения с драйвера 12В).

При первом включении обмотку лучше подключать через сопротивление ограничивающее максимальный ток (10-50 Ом), переворотом датчиков холла добиваемся вращения в нужную сторону. Также перемещая датчики можно найти позиции где потребление на холостом ходу будет минимальным и работа двигателя тихой. Сильно уменьшать угол запитки не стоит (< 90 град) для двухтактного двигателя, хоть потребление будет и ниже на холостом но создать достаточную тягу будет сложнее так как в меньшие промежутки времени придется вложить больше мощности а это дополнительные потери на контролере и батарее.

Цена

  • болт (вал), гайки и шайбы (фиксация магнита и подшипников), немагнитные шурупы (нержавейка, для скручивания корпуса) < 2$
  • корпус (брус 1,5м х 80 х 20) = 1,3$
  • зубчатые колеса и ремень = 8$
  • магнит = 50$
  • платы и все детали < 10$
  • 10х Samsung INR18650-25R = 38$

Итого, электрификация самоката обошлась в ~110$

 

Плюсы и минусы

Плюсы:

  • двигатель вращается без какого либо сопротивления, что не мешает поездке на самокате как на обычном при отключенном питании
  • малый вес
  • цена
  • высокая эффективность

Минусы:

  • нельзя устанавливать такой двигатель вблизи магнитных материалов (приведет к залипанию ротора, использование в корпусе железных болтов тоже недопустимо, только нержавейка или клей)
  • нельзя устанавливать очень близко с массивными токопроводящими материалами (торможение вихревыми токами, идеально использовать раму из пластика, дерева, карбона тогда можно ставить где угодно)
  • придумайте и напишите в комментариях (низкая скорость не катит, можно поднять напряжение, меня устраивает скорость для езды по пешеходным дорожкам)
  •  

Больше фото

Прижатие ремня для большего сцепления с зубчатым колесом

Первые включения (еще с 1 датчиком холла и пониженным напряжением питания 2х8В) максимальная скорость 3-5 км/ч

Настройка положения датчиков (катаемся, меряем потребление, переклеиваем датчик холла ищем оптимальный вариант) на фото оптимальный

Опубликована: Изменена: 04.11.2019 0 4
Я собрал 0 Участие в конкурсе 4
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 4.1 Проголосовало: 4 чел.

Комментарии (23) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
Всем кто захочет повторить помогу с подбором магнита и числа витков под требуемую мощность.
Ответить
0
Владимир Си #
Хотелось бы попробовать... ссылке на али.. по магниту буду рад. По мощности пока не знаю, но скорость 5 км/ч - для меня, мне кажется, маловата.
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
5км/ч это при питании 2*8В, при 2 по 16 - 10км/ч, 2по 25 - 17км/ч, выше пока не поднимал нет акумов больше, можно и на 20 и на 25км/ч сделать с таким магнитом, брал его тут https://magniton.org.ua/magnit_kolco_65_18x30_mm_dn-info.html
На али я не смог найти, если кто найдет оставьте ссылку, ну и некоторые производители делают под заказ, но минимальный заказ от 30-100 шт

https://forum.cxem.net/applications/core/interface/file/attachment.php?id=655100
По ссылке расчет катушки под требуемую скорость, инструкция как пользоватся там есть в первом лите, он актуален для магнита который я использовал
Ответить
0
Владимир Си #
Если вот такие 4 штуки приобрести, то каким проводом посоветуете мотать и сколько витков? Попробую все 4 задействовать, с соответствующим сдвигом 45 гр.. https://ru.aliexpress.com/item/32859600389.html
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
1. Вес будет этих 4х магнитов в сумме 50 грамм, это на 50 вт двигатель максимум

2. Цена нереально высокая для такого веса 26.95$ за 50 грамм (тот что я использовал 685 грамм стоил 50$)

3. Толщина магнитного слоя 4мм это значит что поле на расстоянии более 2 мм уже меньше половины силы магнита, а витки уложить в толщину 1,5 мм возможно только очень тонким проводом, в итоге и 50 вт с трудом оттуда выжать можно и с низким кпд из за тонкого провода

4. Обороты будут 30-50 тыс, нужны спец подшипники которые рассчитаны на такие скорости с очень низким трением и редуктор нужен 1 к 100

Вывод: двигатель на самокат из этого не выйдет, но 4 двигателя для квадрокоптера сделать можно, но очень дорогие магниты

D60*6*30 EXW price
N38-- US$34.20/piece
N40-- US$35.85/piece
N45-- US$40.85/piece
N48-- US$42.50/piece
N50-- US$44.20/piece
N52-- US$47.50/piece
(у N52 на 30% выше момент чем у N38 который я использовал)

Цены при заказе от 100 шт тут: http://www.industrialneodymiummagnets.com/

Поштучно не нашел пока на али, а все производители делают на заказ партиями от 100 шт. Если найду поштучно - дам ссылку
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
Вот магнит выглядит подходящим
https://www.alibaba.com/product-detail/-LYC-Cheap-Price-Diametrically-magnetized_62220276262.html
И вроде как могут отправить 1 образец за 1$!
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
Можно взять такой (20$) https://magniton.org.ua/magnit_kolco_30_8x40_mm_dn-info.html

2 обмотки по 20 витков проводом диам 0,8мм (все витки расположенные на расстоянии от поверхности магнита не более 3-4мм) последовательно и еще 2 обмотки повернутые на 90 градусов - получится двухфазный двигатель >150Вт, передаточное число 35 на колесо диам 200мм,

Угол запитки 90 град, питание обмоток ограничить длительностью включения 0,75 мс, реализуется на 555 таймере расчет есть тут http://electe.blogspot.com/2014/01/2-555.html
со схемы урпавления сигнал (инвертированный) на вход SD подается через таймер

Питание до 2 по 25В, транзисторы IRFB3077, кпд может достигать 90% (при 50-100Вт нагрузки) (>200Вт, кпд ниже 85%) но подшипники нужны хорошие и не магнитные иначе будет потеря мощности и кпд на них

Полную схему и инструкцию по сборке могу оформить в отдельной статье, если будет кому интересно, пока особо интереса я не заметил, по крайней мере на этом сайте
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
Сделал двигатель двухфазный на магните 60 грамм (20мм диаметр, 30мм длинна, 8мм внутренний диаметр), 2 обмотки по 2 секции в каждой секции 3 слоя 5+6+6 витков (всего 34 витка на обмотку), получился высокооборотный двигатель.

При питании 28 вольт (конденсаторный делитель 2 по 14в) 20340 об/мин холостой ход, на нагрузке с потреблением 52вт обороты 16080, подшипник сильно греется потери на нем 11вт на холостом ходу и около 9вт на нагрузке итого кпд получился 71,3%, нужен подшипник с низким трением

Чистый кпд ел мощность в мех 82%, проверено включением второй обмотки в качестве генератора и замерена выпрямленная мощность:
- вход - 52вт
- кпд контроллера 98% - на катушку подается 52*0,98 = 50,96Вт
- кпд катушки 82% - в мех мощность превращается - 50,96*0,82 = 41,78Вт
- подшипник расходует из них 9,45Вт (на таких оборотах 16080): 41,78 - 9,45 = 32,33Вт остается на валу
- генераторная катушка преобразует мех мощность в электрическую с кпд 82% - 32.33*0.82 = 26.51Вт
- замеренная на нагрузке выпрямленная мощность на выходе 26,48Вт (кпд выпрямителя 96%)

КПД 26.5/52*100 = 50.9% (после двойного преобразования, электрическая мощность в механическую, и обратно в электрическую),
а это корень(0,509) = 71,3% кпд каждого преобразования (52 * 0,713 * 0,713 = 26,43)

Это замер на 1 катушке, с 2мя кпд чуть выше с 82% до 85% и мощность Х2 (104Вт не максимум) минус потери на подшипнике выходит 76% доступно мех мощности на валу, как обычно на подшипниках сэкономил

Точка максимального кпд при 75Вт нагрузки на 1 обмотку, на две получается 150Вт это на небольшом магните за 5.5$ (10$ в сумме с контроллером стоимость)

Попробую на самокат прикрепить если маловато будет мощности то можно из него сделать шлиф машинку или мини дрель (100Вт в 1 обмотку кратковременно пускал, многовато.. греется)
Прикрепленный файл: IMG_1668_2.jpg
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
С магнитами можно облегчить задачу, использовать 2 магнита цилиндра осевой намагниченности без отверстия, их полно везде и цена ниже, например 45х20 (240 грамм) 12$ (2 шт 24$ 480 грамм), проблема только закрепить их на валу, их нужно сцепить последовательно так чтоб вал прошел между ними ровно по центу но нужно придумать как закрепить и отбалансировать иначе получится вибро а не двигатель, полученная фигура при вращении будет приближена к сфере то-есть катушки будут круглые внутри (легче мотать и при перемотке провод остается ровный без крутых перегибов)

Но есть и минус - в отличии от сферы и цилиндра очень близко подвести витки к поверхности магнита не получится, то-есть момент у такого двигателя будет ниже а обороты выше, нужен будет редуктор с большим передаточным числом (на 30-35% больше чем с цилиндром)
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
На форуме выложил больше фото, диаграмму работы и "чертеж" двигателя, добавил ответы на вопросы, и видео замера скорости. Если появятся еще вопросы задавайте тут или на форуме, наверное лучше тут там модерация медленная
Ответить
-1

[Автор]
nalexand #
И пожалуйста не забывайте ставьте оценку, желательно после прочтения доп материалов на форуме, тут основа а все детали расписываю в ответах на вопросы в теме к статье созданной на форуме (ссылка в первом посте)
Ответить
+1
BARS_ #
А вот клянчить оценки не очень красиво...
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
очень нужен осцил, все требуют хлеба и зрелищ :), в смысле осциллограммы работы двигателя, а у меня его нету :(

придумай, расскажи, и еще покажи все не на пальцах, а осциллограммы подавай, вот так вот

обязательно выложу их если выиграю

и есть у меня куча наработок которыми я тоже хотел бы поделится но без осцила на пальцах сложно что-то показать и убедить что именно так все и есть на самом деле
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
В статье я упомянул 4х тактный двухфазнй двигатель который стратует сам - вот видео его в работе

https://youtu.be/Vjud9qZDL20
Отредактирован 23.10.2019 08:03
Ответить
0
mefi73 #
Очень похоже на шаговый двигатель. Вопросы: почему не использовали Н-мост? Я думаю пара транзисторов обойдется дешевле, чем пара аккумуляторов. Да и заряжать один аккумулятор будет проще.
Ну и рекомендую запилить видео об этом двигателе, разместим его на канале "ПаяльникТВ"
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
Ну во первых в статье написано почему полумост - в 2 раза уменьшает потери на ключах (всегда открыт только 1 ключ) + в 2 раза уменьшает потери на рекуперации (падение напряжения только на 1м диоде в один момент времени)
По видео что интересует? Заснять могу, но я не умею работать на камеру и не знаю про что именно в нем рассказывать
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
Поднял напряжение до 2х25в скорость средняя выросла до 16.3 км/ч на полном заряде, потребление 2.2-2.6 А (в среднем 2,4), полного заряда на час хватает (потребляемая мощность 1С, батарея теперь 12S1P) а вот ощущение динамики заметно изменилось, вроде и не так сильно выросла скорость но так круто ганяет :)
Кстати вес двигателя с контроллером и креплением 1,6кг, а детали самого двигателя меньше 1 кг
И по магниту - он дороговат но запас у него до 1 квт мощности а может и больше, поменьше в продаже не было (300 грамм хватило бы), может в будущем переделаю двигатель на киловатный
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
Провожу тесты самоката, результаты буду дополнять, пока есть тест на 3х напряжениях и прогноз для следующих тестов
Прикрепленный файл: замеры и прогноз.png
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
Характеристика двигателя и расчет мощности и кпд по напряжению выложил в теме на форуме https://forum.cxem.net/applications/core/interface/file/attachment.php?id=654055
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
В предыдущем расчете не учел заполнение моментом, он будет актуален только для 2хфазного со 100% заполнением моментом
Вот новая версия для однофазного
https://forum.cxem.net/applications/core/interface/file/attachment.php?id=654593
Ответить
+1

[Автор]
nalexand #
https://forum.cxem.net/applications/core/interface/file/attachment.php?id=655100
Расчет катушки под требуемую мощность двигателя
Ответить
0

[Автор]
nalexand #
Собрал уже кто? Если нет напишите почему нет, что не получается что подсказать?
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется напряжение?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Радиореле 220В
Радиореле 220В
Квадрокоптер Syma X11 Печатная плата для усилителя "LM3886 + AD825"
вверх