Бесколлекторные двигатели для моделей¶

Бесколлекторные двигатели для моделей — это электрические машины постоянного тока с электронной коммутацией обмоток, предназначенные для приведения в движение радиоуправляемых моделей (авиамоделей, мультикоптеров, автомоделей, судомоделей) и других малогабаритных устройств. В отличие от классических коллекторных двигателей, в них отсутствует щёточно-коллекторный узел, а коммутация тока в обмотках статора осуществляется электронным регулятором хода (ESC) на основе положения ротора.

¶Устройство и принцип действия

Конструктивно бесколлекторный двигатель (BLDC, brushless DC motor) состоит из двух основных частей: неподвижного статора с обмотками и вращающегося ротора с постоянными магнитами. Статор обычно набран из листов электротехнической стали и имеет пазы, в которые уложены медные обмотки. Ротор представляет собой вал с закреплёнными на нём мощными неодимовыми магнитами. Внешний ротор (конструкция outrunner) вращается вокруг статора, что характерно для большинства авиамодельных и коптерных двигателей; внутренний ротор (inrunner) вращается внутри статора и чаще применяется в автомоделях и высокооборотных установках.

Работа двигателя основана на последовательной коммутации фаз обмоток статора. Электронный регулятор, получая сигнал от приёмника или полётного контроллера, поочерёдно подаёт напряжение на две из трёх фаз, создавая вращающееся магнитное поле. Положение ротора определяется по датчикам Холла (в двигателях с датчиками) или по противо-ЭДС (в беcдатчиковых схемах, наиболее распространённых в модельной технике). Отсутствие механического контакта между щётками и коллектором исключает искрение, износ и потери на трение.

¶Основные характеристики

Ключевыми параметрами бесколлекторных двигателей являются:

• KV-число — количество оборотов в минуту на один вольт напряжения без нагрузки. Низкое KV (200–800) соответствует высокомоментным двигателям с большими винтами, высокое KV (2000–4000) — высокооборотным двигателям для малых винтов.
• Размер — обозначается четырёхзначным числом, например 2212, где первые две цифры — диаметр статора в миллиметрах, вторые две — высота пакета статора.
• Максимальный ток — предельный длительный ток в амперах, определяющий выбор регулятора хода.
• Мощность — произведение тока и напряжения, выражается в ваттах.
• Внутреннее сопротивление — влияет на нагрев и КПД.

КПД бесколлекторных двигателей достигает 85–95 %, что значительно выше, чем у коллекторных (50–70 %). Они способны развивать высокие обороты (до 50 000 об/мин и более) и обладают высокой удельной мощностью.

¶Классификация

По конструктивному исполнению выделяют:

• Outrunner (внешний ротор) — ротор вращается вокруг статора. Обладают высоким крутящим моментом на низких оборотах, не требуют редуктора. Используются в мультикоптерах, самолётах, вертолётах.
• Inrunner (внутренний ротор) — ротор вращается внутри статора. Развивают высокие обороты при малом моменте, часто применяются с редуктором. Характерны для автомоделей, лодок, скоростных пилотажных моделей.

По наличию датчиков положения ротора:

• Сенсорные (с датчиками Холла) — используются в автомоделях и судомоделях, где требуется плавный старт с места.
• Бесcенсорные — проще и дешевле, применяются в авиамоделях и коптерах, где старт происходит на малых оборотах с раскруткой винта.

¶Применение

Бесколлекторные двигатели доминируют в следующих областях:

• Мультикоптеры и дроны — каждый винт приводится отдельным двигателем; обеспечивают высокую тяговооружённость и точное управление.
• Авиамодели — пилотажные, полукопийные и спортивные самолёты; электрические силовые установки вытеснили двигатели внутреннего сгорания в большинстве классов.
• Автомодели — шоссейные и внедорожные модели масштаба 1:10 и 1:8; сенсорные двигатели обеспечивают точный контроль тяги.
• Судомодели — скоростные и гоночные катера, подводные лодки.
• Мини-вентиляторы, электроинструмент, 3D-принтеры — смежные применения той же технологии.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам относятся: высокий КПД, большой ресурс (отсутствие изнашивающихся щёток), высокая мощность при малых габаритах и массе, отсутствие искрения и радиопомех, широкий диапазон регулирования оборотов, хорошая перегрузочная способность.

Недостатки: необходимость в электронном регуляторе хода (увеличивает стоимость и сложность системы), более высокая цена по сравнению с коллекторными двигателями, требовательность к качеству настройки регулятора и подбору винта, риск повреждения обмоток при перегреве или перегрузке.

¶Регуляторы хода

Электронный регулятор скорости (ESC) — неотъемлемая часть силовой установки. Он преобразует постоянное напряжение аккумулятора в трёхфазное питание обмоток, управляет частотой коммутации, обеспечивает плавный пуск и торможение, а также питание бортовой электроники (BEC). Современные регуляторы поддерживают протоколы PWM, Oneshot, Multishot, DShot и другие, что позволяет интегрировать их с полётными контроллерами. Выбор регулятора определяется максимальным током двигателя и напряжением аккумуляторной батареи (2S–14S).

¶Источники

• «Электрические машины» — учебник для вузов, под ред. И. П. Копылова.
• Материалы производителей модельных двигателей (T-Motor, Sunnysky, Hobbywing, Castle Creations).
• Технические статьи и обзоры журнала «Моделист-конструктор».
• Документация по протоколам управления ESC (BLHeli, SimonK).