Бесколлекторные и коллекторные двигатели трассовых моделей основаны на одних и тех же основных принципах. В обоих есть электрические токи, которые необходимо в нужный момент повернуть вспять, чтобы витки с проводом вращались относительно постоянных магнитов. Ключевые различия:
- В бесколлекторных двигателях магниты вращаются, а катушки с проводом— нет. В обычных коллекторных двигателях катушки с проводом вращаются, а магниты — нет.
- В бесколлекторных двигателях ток в катушках провода меняется на противоположный с помощью платы электронного коллектора (Ecom). Коллекторные двигатели имеют щетки и коллектор для изменения направления тока в катушках.
Давайте сосредоточимся на внутренней работе бесколлекторных двигателей outrunner размера 1100, которые Боб Бадж и Ричард Мак используют в своих трассовых моделях. Спасибо Бобу и Ричарду за помощь в написании этой статьи. Ричард выражает благодарность Стефано Мирабелли за рекомендацию по выбору двигателя такого размера. Они бывают разной длины, Боб и Ричард концентрируются на размере 1106, четвертое число – это длина пакета статора (таким образом, у 1106 пакет длиной 6 мм, у 1103 – пакет длиной 3 мм и т. д.), более короткие пакеты дают меньший крутящий момент.
Эти двигатели состоят из двух частей, как показано на рисунке. Ротор несет магниты, он вращается вокруг катушек, и у них нет датчиков. Двигатели типа outrunner бывают самых разных размеров, Боб и Ричард выбрали именно этот размер, внешний диаметр многих моделей составляет 14,2 мм, хотя некоторые модели немного меньше. Голый двигатель весит 7,2 грамма. В комплекте с шестерней (/пиньоном/трибкой) и проводкой к разъему они весят 8,1 г. Двигатель этого размера обычно имеет подшипники диаметром 2 мм или 1,5 мм. Для обычно используемых шестерен с диаметром отверстия 2 мм удобнее использовать валы с подшипниками диаметром 2 мм, чем подшипники и вал диаметром 1,5 мм. На двигателе должен быть установлен вал, выступающий из правого конца для установки шестерни; стандартные двигатели для дронов поставляются с валом, выступающим из неправильного конца. Ричард говорит мне, что разворот вала – это несложная работа. В 2023 году стали доступны двигатели с уже выдвинутым правым концом вала для трассовых моделей.
Мы привыкли ощущать магнитное притяжение при вращении ротора. Обычный двигатель трассовой модели остановится в одном из 6 положений, в то время как этот тип бесколлекторного двигателя остановится в одном из 36 положений.
В 2023 году были проведены эксперименты с различными конфигурациями двигателей, которые могут обеспечить более высокие обороты двигателя при использовании той же платы Ecom.
Двигатели outrunner— не единственный тип бесколлекторных двигателей. Еще одним распространенным типом является inrunner, в котором магниты вращаются внутри катушек. Были попытки использовать inrunner, но Ричард говорит мне, что они не увенчались успехом.
Чтобы выполнять ту же работу, что и обычный двигатель трассовой модели, вам понадобится как сам бесколлекторный двигатель, так и электроника для его запуска. Электроника делает что-то похожее на то, что делают щеточный механизм и коллектор в обычном двигателе трассовой модели.
Если вам нужна более подробная информация, ознакомьтесь с данными и расчетами Ричарда Ланга.
Электроника
Бесколлекторные двигатели уже много лет используются в гонках моделей на радиоуправлении, а также проводились эксперименты с трассовыми моделями, в которых использовалась готовая электроника от радиоуправляемых внутри модели и постоянно работала полная мощность на трассе. Ключевое отличие моделей Боба Баджа в том, что они управляются обычным контроллером, который позволяет избежать всех проблем, связанных с постоянным наличием мощности на шинах питания. Хитрость, которая позволяет это сделать, — это электронный коллектор (Ecom). Он был разработан на основе электронного управления скоростью (ESC), используемого в радиоуправляемых моделях. Мне сказали, что первые ESC/Ecom для трассовых моделей были разработаны для дрэг-рейсинга в США. По всей видимости, разработка и внедрение относятся к 2014 году.
Платы, которые используют Боб и Ричард, были разработаны Питером Смиттом, канадцем, который специализируется на разработке регуляторов скорости, главным образом, для дронов. Боб связался с ним некоторое время назад, и они вместе работают над разработкой надежной и удобной конструкции. На Национальном Чемпионате 1/32 Британии в августе 2021 года существовало только 3 таких SBM Ecom.
Пит разработал новую, уменьшенную версию, которая сейчас тестируется, и они работают над первоначальными ошибками, которые возникают по мере продолжения тестирования старой конструкции.
Когда все будет завершено, детали станут открытым исходным кодом и доступны для сборки каждому. Первоначально Боб и Ричард сделали несколько прототипов, но не выставили ни одного на продажу. Их первая партия, выставленная на продажу, была быстро распродана в середине 2022 года. Вторая партия была распродана в декабре 2022 года, а еще несколько партий – в 2023 году. 320 штук SBM Ecom, выпущенные к февралю 2023 года, были изготовлены вручную Ричардом или Бобом, поэтому производство идет медленно, а спрос намного превышает их возможности, и они ищут способы увеличить производство. В 2022 году нехватка компонентов ограничивала количество, которое можно было изготовить..
Вот фотографии верхней и нижней части одной из плат, которую Боб использовал на Национальном Чемпионате 2021 года. Платы, используемые в Чемпионате, имеют компоненты, установленные сверху и снизу, их размер составляет около 29 x 15 мм, а вес – около 2,8 г. В 2022 году был выпущен Ecom меньшего размера, размером примерно 22,5 x 15 мм и весом около 2 г. Процессор работает на частоте 49 МГц, что позволяет двигателю работать со скоростью примерно до 110 000 об / мин. Серийные партии, поставляемые с середины 2022 года, позволяют двигателю работать со скоростью около 150 000 об/мин.
Процессор Ecom работает только при достаточно высоком напряжении. Ключевой частью разработки было заставить его работать при низком напряжении. Процессор отключается на SBM Ecom, когда напряжение падает ниже примерно 1,75 В, что происходит, когда питание шин трассы отключается и двигатель замедляется, поэтому противо-ЭДС становится ниже этого напряжения. Регулируемые тормоза на большинстве обычных контроллеров управления трассовой моделью работают с системой Ecom так же, как и с любой другой моделью, однако сообщалось о некоторых проблемах с импульсными (ШИМ) тормозами. При тестировании ранних версий Ecom в сентябре 2021 года, когда пилот модели отпускал курок пульта для торможения, происходила задержка в 100 миллисекунд, прежде чем двигатель начинал производить какую-либо мощность. Это было заметно некоторым пилотам. Код платы был изменен, чтобы преодолеть это.
SBM Ecom имеет встроенную защиту от обратной полярности, поэтому он не будет поврежден, если модель упадет на полосу движения задом наперед или источник питания будет подключен неправильно во время тестирования. Некоторые другие модели ESC/Ecom выйдут из строя при подключении питания с обратной полярностью.
Я описал SBM Ecom. Есть и другие Ecom, созданные Стефано Мирабелли и NSR в Италии, WestRock в Новой Зеландии, DoSlot и x89 в Германии и Synapse в Бразилии. По сути, все они выполняют одну и ту же работу. Я протестировал 3 таких производителя. Как только будет проведено больше сравнительных испытаний, будет интересно услышать, как сравниваются разные модели. Существует проблема с ШИМ-контроллерами. На данный момент у нас есть лишь несколько примеров того, какие комбинации контроллеров Ecom и ШИМ работают, а какие нет.
Как он подключен?
На первый взгляд это кажется немного сложным, но давайте попробуем объяснить, что происходит на диаграмме.
Во-первых, обычный направляющий флажок получает мощность постоянного тока от двух шин питания трассы, а два провода передают постоянный ток на двигатель, как и в обычных трассовых моделях.
Ecom (электронный коллектор) принимает постоянный ток и переключает его между тремя соединениями – примерно так же, как трехполюсный коллекторный двигатель переключает его между тремя сегментами коллектора. Ecom запрограммирован на переключение между тремя проводами, что дает некоторую возможность регулировки характеристик двигателя. Представленный на фото Ecom из второй серийной партии (выпущен в конце 2022 г.).
3 провода двигателя подают питание на 9 полюсов бесколлекторного двигателя. Очевидно, что каждый из девяти полюсов не может быть запитан отдельно всего лишь от трех проводов. Двигатель работает путем подачи питания на группы из 3 полюсов. Первые 3 полюса, показанные синим цветом, подключены последовательно между проводами 1 и 2; следующие 3 полюса, показанные розовым/красным, подключены последовательно между проводами 2 и 3; и наконец последние 3 полюса, показанные зеленым, подключены последовательно между проводами 3 и 1.
Каков результат всего этого по сравнению с трехполюсным коллекторным двигателем (при прочих равных условиях)? Этот бесколлекторный двигатель вращается на меньший угол при каждом изменении направления тока, но создает больший крутящий момент, поскольку у него больше полюсов, притягивающих и отталкивающих магниты.
Существует два разных способа намотки двигателя – star и delta (звезда и треугольник). Оба успешно используются в трассовых моделях с одинаковым Ecom.
В продаже имеются оба вида двигателей, но производители часто не сообщают вам, какой способ намотки они используют.
Эффективность
Бесколлекторные двигатели уже много лет широко используются в радиоуправляемых моделях автомобилей. Обычно бесколлекторные двигатели преобразуют большую часть электрической энергии в механическую на колесах, поэтому выделяют меньше тепла. Эта эффективность является большим преимуществом, если ваша электрическая энергия хранится на борту, как в батареях радиоуправляемых моделей.
Обычно в трассовых моделях имеется достаточно электроэнергии, поэтому при условии, что вы сможете избавиться от избыточного тепла, эффективность двигателя будет гораздо менее важна. Однако у бесколлекторных двигателей нет коллектора, который нужно протачивать по мере износа, или щеток, которые изнашиваются и требуют регулярной замены.
Стоимость
Обычный коллекторный двигатель трассовой модели заменяется двумя частями — самим бесколлекторным двигателем и Ecom, который его приводит в действие. Бесколлекторный двигатель без Ecom так же бесполезен, как и обычный двигатель без коллектора и щеток. Бесколлекторные двигатели, используемые в дронах, дешевы и легко доступны, поэтому необходимы крупные инвестиции для массового производства специализированных Ecom, необходимых для работы двигателей на трассовых моделях. Несколько иные регуляторы скорости, используемые в радиоуправляемых моделях, относительно дешевы. Относительно небольшие количества, которые будут производиться для трассовых моделей, сделают Ecom для трассовых моделей более дорогими.
Также возможно, что стандартные двигатели для дронов станут отправной точкой для разработки бесколлекторных двигателей специально для гонок трассовых моделей. Если это произойдет, то двигатели, специально разработанные для трассовых моделей, будут стоить дороже, чем стандартные двигатели для дронов.
Как он едет?
Росс Гроган, Джеймс Клив и Уилл Стемман опробовали некоторые из моделей с бесколлекторым двигателем Боба и Ричарда в сентябре 2021 года на трассе Nationals и Чемпионата Мира 2019 года.
Росс и Уилл обнаружили заметную задержку между отключением тормозов и включением мощности при входе в повороты. Боб не заметил этой задержки и заметил, что, возможно, Росс и Уилл — исключительные гонщики. Изменения в коде ESC были внесены, чтобы уменьшить задержку включения питания после торможения.
Росс проезжал некоторые высокоскоростные участки трассы, которые можно было бы проехать на полной мощности на обычном Eurosport, на частичном газе с бесколлекторной системой. Джеймс отметил, что крутящий момент, похоже, не падает на высокой скорости, в отличие от обычной модели, где крутящий момент значительно снижается на более высокой скорости.
Будущее развитие
Мы должны помнить, что бесколлекторные трассовые модели только начинаются, и эти характеристики могут измениться по мере развития. То, как модель ведет себя на высокой скорости, безусловно, можно улучшить с помощью развития. Является ли обычная модель лучше в поворотах, чтобы можно было использовать полную мощность в тех местах, где бесколлекторная модель ее не выдерживает… чтобы обычная модель проезжала круг быстрее? Производит ли бесколлекторная модель больше мощности на высокой скорости, что позволило бы ей двигаться быстрее, чем обычной модели? Можно ли разработать шасси, позволяющее эффективно использовать большую мощность, или в конечном итоге вы столкнетесь с трудностями в управлении?
Насколько вырастет производительность, не совсем предсказуемо, и неизбежно во многом это будет зависеть от тестирования методом проб и ошибок и еще большего тестирования. Однако некоторый потенциал можно рассчитать с научной точки зрения. В 2021 году, когда эта статья впервые появилась, использованные бесколлекоторные двигатели и передаточные числа обеспечили моделям немного более низкий центр тяжести, меньшую гироскопическую помощь в поворотах и меньший эффект маховика.
На Чемпионате Мира ISRA 2023 года лучшие результаты бесколлекторных моделей были вторыми в общем зачете. Эти бесколлекторные двигатели вращались намного быстрее и использовали почти те же передаточные числа, что и модели коллекторным двигателем. Вероятно, это означает, что бесколлекторные и коллекторные модели имели одинаковую гироскопическую помощь в поворотах и аналогичный эффект маховика. Это основано на сходстве расчетного момента инерции вращающихся частей и оборотов двигателя. Статья, объясняющая это более подробно, появится позже.
Chris Frost, British Slot Car Racing Association 2021, updated 2023
Источник: slotcarracing.org.uk
Перевод: Андрей Колегов