Göra din egen miniatyr Electric Hub Motor (2 / 14 steg)

Steg 2: Borstlös likströmsmotor

i hjärtat av de flesta hub motorer är en borstlös likströmsmotor. För att bygga en hub motor rätt, måste du förstå några grundläggande av borstlösa likströmsmotorer. För att förstå borstlösa likströmsmotorer, bör du förstå borstad DC-motorer. Om du har tagit en kontroller klass, är chansen att du har använt borstad DC motorer som en "anläggning" testa dina kontroller på.

Jag har belyst och fetstil saftiga grejer att du behöver, men för kontinuitet är det nog bra att grunge genom allt det ändå.

Borstad DC Motor fysik

Kanske den bästa DC motor primern har jag sett (jag är inte partisk alls, jag lovar killar! Pinky löfte! ) är MIT OpenCourseware anteckningarna till 2.004: dynamik och kontroll II. Ta en läsa igenom det på din egen fritid, men den grundläggande genomgång är att en borstad likströmsmotor är en dubbelriktad givare mellan elektrisk effekt och mekanisk kraft som kännetecknas av en motor konstantKm , och en inre resistansRm. För enkelhetens skull kommer motor inductance L inte att beaktas. I huvudsak om du vet Km och Rm och några detaljer om din strömkälla, kan du mer eller mindre karaktärisera din hela motor. \

Uppdatering 2010-10-06: den ursprungliga 2.004 dokument länken är död, men här är en som är ungefär samma content-wise. Också från MIT OCW.

Motoriska konstanten Km innehåller information om hur mycket vridmoment din motor kommer att producera per ampere av strömförbrukning (Nm / A) samt hur många volt din motor kommer att generera över dess terminaler per enhet hastighet som du snurrar det på (V / rad / s, eller Vs / rad, eller helt enkelt V * s). Denna "back-EMF konstant" är numeriskt lika med Km, men vissa gånger kallas Kv.

I en likströmsmotor ges Km av uttrycket

Km = 2 * N * B * L * R

där N är antalet komplett loopar tråd interagerar med din permanent magnetfält styrka B (mäts i Tesla). Denna interaktion sker över en viss längd L som är allmänt längden på dina magneter och en radie R som är radien av din motor armatur. 2 kommer från det faktum att din slinga av tråd måste gå över och sedan tillbaka över området av magnetisk påverkan för att stänga om sig själv. Detta har ingenting att göra med Rm, förresten.

Som en parentes, kommer jag att använda endast SI (metrisk!!!) enheter här eftersom de är bara så mycket enklare att arbeta med för fysik.

Låt oss titta på uttrycket för Km igen. Vi vet från sist som

Pe = V * jag och Pm = T * ω

I idealisk motorn 100% verkningsgrad (den perfekta givaren), Pe = Pm, eftersom makten i lika med driva ut. Så

V * I = T * ω

Där har vi sett detta förut? Byta några värden:

V / ω = T / I

Kv = Km

Oh snap.

Takeaway här är det att veta några viktiga dimensioner av din motor: magnetisk fältstyrka, längden av magnetiska växelverkan, numrera av vänd och radien på armaturen, du kan faktiskt ungefärlig din motor prestanda siffror vanligt att inom en faktor 2.

Nu är det dags för...

Borstlösa DC-Motor

BLDC motorer lie i den konstiga grå zonen mellan DC-motor och AC-motorer. Det finns betydande oenighet i EE och motor engineering samhället om hur en maskin som bygger på tre fas växelström kan kallas en DC-motor. Den särskiljande faktorn för mig personligen är:

I en borstlös likströmsmotor ersätta elektroniska strömställare mekanisk pensel-och-koppar växeln som dirigerar nuvarande till rätt lindningarna vid rätt tid att generera ett roterande magnetfält. Den enda elektronik är att efterlikna Kommutator som om maskinen var en DC-motor. Inga försök görs att använda AC motorstyrning metoder för att kompensera för AC egenskaper av maskinen.

Detta ger mig en ursäkt att använda DC motor analysmetoder rudimentarily utforma BLDC motorer.

Jag ska erkänna att jag inte har djupgående kunskaper om BLDC eller AC maskiner. I en annan vågar agera av outsourcing, uppmanar jag dig att ta del av James Mevey otroliga 350-något-sidan avhandling om allt du någonsin velat veta om borstlösa motorer någonsin. Vill, på allvar någonsin.

Det finns en massa saker du inte behöver veta, dock, till exempel hur fältet-orienterad kontroll fungerar. Vad är mycket hjälpsamt i förstår BLDC motorer är härledningen av deras vridmoment egenskaper från sidorna 37-46. Kort genomgång av hur saker fungerar i en BLDC motor är att en elektronisk styrenhet skickar ström genom två av tre faser av motorn i en ordning som genererar ett roterande magnetfält, verkligen trippy-ass sak som ser ut så

.

Anledningen till att vi anser att två av tre faser beror en 3 fas motor har, fundemantally, 3 anslutningar, varav två används vid någon tidpunkt. Här är en bra illustration av möjliga konfigurationer av 3 fas kabeldragning. Strömmen måste komma i en anslutning och ut i andra.

I Mevey 38, ekvation 2.30, ges moment av en BLDC motor fas av

T = 2 * N * B * Y * jag * D/2

där Y har ersatt L i min tidigare DC motor ekvation och D/2 (halva Rotordiameter) ersätter R.

Om du gör det mitt sätt, blir det

T = 2 * N * B * L * R * jag , ersätter D/2 med R.

Kom ihåg nu att två faser av motorn har nuvarande jag flyter i den. Därav,

T = 4 * N * B * L * R * jag

Detta är ekvationer veta för enkel uppskattning av BLDC vridmoment. Topp vridmoment produktion är (måttligt) lika med 4 gånger den:

antal varv per fas
styrkan i det permanent magnetfältet
längd av statorn / core (eller magnet också, om de är lika)
radie av statorn
strömmen i motorlindningarna

Som väntat skalas detta linjärt med ström. I verkliga livet får detta förmodligen du inom en faktor två. Det vill säga kan din faktiska vridmoment produktion vara mellan denna teoretiska T och T/2

Vänta, 4? Betyder det att om jag slår min borstad DC-motor i en borstlös motor, kommer det plötsligt har två gånger vridmomentet? Inte nödvändigtvis. Detta är en matematisk konstruktion - en likströmsmotor lindningar betraktas på ett annat sätt som orsakar definitionen av N och L för att ändra.

Nästa, vi får se hur denna ekvation för att storlek din motor.

28 juli 2010 uppdatering definitionen av T

I ekvationen T = 4 * N * L * B * R jag, den konstanta 4 kommer från härledningen av en motor med endast en tand per fas, under förutsättning att N är antalet varv på tråd per tand på statorn.

Fullständig härledning av denna konstant innebär varje slinga av tråd faktiskt är två delar av tråd, var och en av längden L. Detta är på grund av det faktum att en slinga handlar går över statorn, sedan tillbaka igen. Nästa, i en BLDC motor, två faser är alltid drivs, vilket vridmoment.

Vi kan konstatera att i en motor med endast 1 tand per fas (en 3-tandad stator), det finns ingen mer multiplikativ faktorer. För varje tand du dock lägga till per fas (2 tänder per fas i en 6-tooth stator, 3 tänder per fas i en 9-tooth stator etc.) ovan konstanten måste multipliceras därefter. Konstanten framför ekvationen i huvudsak står för Antal aktiva passager av wire, som är 2 passerar per slinga gånger 2 faser aktiva gånger antalet tänder per fas.

Så, vad jag egentligen menar är att T = 4 * m * N * B * L * R * jag där

m = antalet nyligen definierade tänder per fas .

Som lindningarna själva har ännu att införas, kom ihåg antalet tänder per phasein är den dLRK slingrande 4.