admin / 13.07.2018

Микроэлектродвигатели постоянного тока

Бесколлекторный микродвигатель постоянного тока своими руками. Вес — 0,2 грамма


В этой статье речь пойдет о сборке микромотора, который можно установить на модель самолета весом в несколько грамм! В очень редких случаях вес самолетика может не превышать одного грамма. В этот вес входит: сама конструкция самолета, электромотор, аккумулятор, приемник и привод хвостового оперения. Левша бы гордился современными конструкторами таких моделей.
Теперь перейдем к конструкции самого микромотора. Это бесколлекторный, однофазный электромотор с питанием от постоянного тока. Самый маленький, а соответственно и самый легкий микромотор, информацию о котором я нашел в интернете, весит 0,075 грамма!!! Чтобы достичь такой низкой массы, необходимо каждый компонент двигателя подбирать с учетом веса материала. Состоит микромоторчик из шести элементов: ось, магнит, втулки, направляющие для обмотки, обмотка, микросхема.
Остановимся подробнее на каждом элементе. Первая деталь электродвигателя — ось. Для нее я выбрал сверло диаметром 0,3мм. Можно применить 0,26 мм.
Вторая деталь магнит. Магнит я взял из виброзвонка старого мобильного телефона. Размеры этого магнита: наружный диаметр — 2,5 мм., внутренний — 0,85 мм., длина — 5,4 мм. Обязательным условием является диаметральная расположенность полюсов. Иными словами, при вращении полюса должны меняться местами. Втулки проще всего изготовить из фторопласта. Это легкий материал с низким коэффициентом трения. К тому же он легко обрабатывается обычным канцелярским или макетным ножом.
В качестве материала для направляющих обмотки я выбрал карбоновые прутики. Это очень прочный и очень легкий материал. Следующая составляющая бесколлекторного электродвигателя — обмотка.
Я использовал медный провод диаметром 0,06 мм. Но диаметр провода зависит также от толщины и количества слоев лака на нем, поэтому для правильного подбора провода необходимо измерить сопротивление. В моем микромоторе для обмотки задействован провод с сопротивлением 12 Ом/метр. Можно также использовать от 10 до 20 Ом/метр. Вся обмотка получилась 34 Ом. И самая важная часть мотора — микросхема.
Я использовал микрочип от фирмы Allegro А1442. На этот чип можно подавать напряжение не более 4,2 Вольта, а ток не более 200 ma. Ну что ж, если все это у вас вдруг оказалось под рукой, то можем начать сборку.
Первым делом собираем ротор. Так как диаметры сверла и магнита не совпадают, то необходимо этот зазор чем-то компенсировать. Я сделал следующее: На сверло намотал провод диаметром 0,13мм в два слоя и перед установкой магнита намазал эпоксидной смолой для металла.
В этой технологии есть недостаток — эпоксидка достаточно тяжелый материал. После застывания обрезаем провода и наш ротор готов.
Далее делаем втулки. В кусочке фторопласта сверлим два отверстия диаметром 0,35мм. Если вы используете в качестве оси сверло 0,26мм, тогда втулки сверлим диаметром 0,3мм. То есть втулка должна быть большего размера для свободного вращения. После этого обрезаем фторопласт вокруг сверла, стремясь сделать втулку как можно меньше.

Ротор готов, втулки также, следующим этапом будет обмотка, но для удобного наматывания необходимо изготовить направляющие для обмотки. Их можно изготовить из фторопласта или как я — из прутиков карбона. Карбон хорошо клеится цианокрилатным клеем. Я применял — Akfix 303. Обмотку наматываем аккуратно, провод легко рвется. Витки должны быть расположены равномерно по обе стороны каждой втулки. Если вы хотите сделать обмотку 30 Ом, то для провода 10 Ом/метр необходимо отмерить 3 метра. Итак, если провод намотали на направляющие, его надо пропитать суперклеем.
И завершающим этапом в сборке нашего микромотора будет пайка микрочипа. Этот чип управляет обмоткой, включая и выключая ее в определенные моменты. Этот чип хорош тем, что при нестабильном положении ротора он пытается раскачать его, а запустив — доводит до максимальных оборотов.
На чипе есть семь выводов, из которых нам понадобятся пять. Чип можно приклеить на обмотку суперклеем. Припаяв по схеме провода, можно запускать микромоторчик. Кстати, скорость вращения данного бесколлекторного микромотора может достигать, без воздушного винта, 100 000 об/мин.!!!
И несколько слов об аккумуляторе. Он должен обладать напряжением не более 4,2 Вольта.
Осталось подать напряжение, и если все сделано верно, то моторчик зажужжит.
Удачных экспериментов!
Ниже представлен видеоролик, в котором вы увидите сборку бесколлекторного электромотора постоянного тока, весом 0,2 грамма.

Корженко Сергей

Генеральный директор компании «Мастер Моторс» Анатолий Булгаков вспоминает, с чего все началось. В детстве он увлекался авиамоделизмом и через «Посылторг» (советская версия AliExpress) купил себе авиамодельный двигатель МК-16, мечту мальчишек, зачитывающихся «Юным техником» и «Моделистом-конструктором». Анатолий собрал к тому времени кордовую модель самолета «По-2» и рассчитывал ее запустить. Но, сколько ни пытался, двигатель не завелся, и Анатолий сильно расстроился. И дал себе слово, что, когда вырастет, будет делать такие двигатели, которые всегда будут заводиться.

Мастер и Маргарита

Прошло много лет, Анатолий Булгаков закончил МАДИ по специальности «двигатели внутреннего сгорания», попал по распределению в Ярославль, и в 1988 году, когда разрешили создавать кооперативы, вспомнил детскую мечту и задумал создать кооператив по производству модельных микродвигателей. Тем более что тема ему была хорошо знакома с детства. Пошел по кружкам технического творчества, нашел группу энтузиастов, скинулись деньгами, и в 1988 году основали кооператив «Мастер». Почему «Мастер»? «Мне хотелось, чтобы у нас работали только мастера своего дела, а с другой стороны, фамилия у меня Булгаков, — смеется Анатолий. — Так что если когда-нибудь появится дочерняя фирма, то будет «Маргарита»». Это была большая авантюра, так как в том же году в стране начались экономические проблемы. Людям стало не до модельных двигателей: денег не хватало на еду. Отечественные заказы прекратились, но тут Булгаков встретился с представителями французской компании, торгующей товарами для хобби. Увидев образцы продукции «Мастера», они в 1992 году приехали в Ярославль, побывали на производстве и заключили контракт. И следующие 13 лет «Мастер» занимался в основном экспортом: на внутренний рынок шло всего 2−3%. С 1988 по 2005 год под разными брендами во Францию, Германию, США было продано около 80 тыс. микродвигателей. В Ярославле микродвигатели не только производили, но и разрабатывали. Наши двигатели становились чемпионами Франции, занимали призовые места на чемпионатах Европы. Тем временем на мировом рынке появились китайцы, которые стали продавать свою продукцию значительно дешевле российской, и в 2005 году в «Мастере» тему закрыли и переключились на работу с крупными ярославскими предприятиями. Но мечта у Анатолия осталась.

Микродвигатель М-21 для автомоделей багги

В 2015 году доллар вырос, и в России опять стало выгодно производить такую продукцию. Ежегодно в страну завозилось около 50 тыс. двигателей для моделизма. Было решено возобновить производство и возродить компанию под именем «Мастер Моторс». Для снижения издержек пошли по пути западных компаний и вынесли цех из города в поселок Семибратово в полусотне километров от Ярославля. В это время государство начало поддерживать детское техническое творчество: наконец пришло понимание, что без внимания к этой сфере через несколько лет в стране просто не останется инженеров.

К концу 2015 года в отремонтированном здании «Мастер Моторс» выдал первую законченную деталь, а к маю 2016 года семь моделей, оснащенных двигателями компании, приняли участие в чемпионате мира в Австралии. О продукции «Мастер Моторс» узнали за пределами России, и пошли заказы из других стран. Нашим двигателям стали отдавать предпочтение спортсмены из десятков стран. Но сначала требовалось обеспечить микродвигателями организации технического творчества в России — только этот рынок потреблял до 2000 двигателей ежемесячно. Ну и постепенно компания собиралась вернуться на западные рынки.

  • Технологии

    Пластмассовая армия

  • Технологии

    Двойной УАЗ: из чего состоит русский гибрид

Микродвигатель для авиамоделей М-46

С земли в небо

Если в 1990-е годы главной продукцией «Мастера» были автомодельные двигатели, то сейчас «Мастер Моторс» выпускает авиадвигатели. На взгляд дилетанта, разницы никакой. Но различия принципиальные, обусловленные условиями эксплуатации. С одной стороны, авиамодельный двигатель требует меньшего размера радиатора, поскольку предназначен для полетов. С другой стороны, надо учитывать, что набегающим потоком сильнее охлаждается передняя часть. А ведь деформация на несколько микронов приводит к резкому увеличению или уменьшению трения поршня. А так как колец нет, а компрессия происходит за счет очень точного сопряжения деталей, начинают «гулять» мощность и количество оборотов. Автомодельный двигатель работает, как правило, в капотированном режиме с резко изменяемыми нагрузками. И требования к крутящему моменту на валу тоже разные. На автомобильных моторах он должен быть больше, потому что привод идет на колеса. Не столько важны обороты, сколько момент на валу. А он зависит от диаметра поршня и его хода.

Сейчас «Мастер Моторс» выпускает два типа одноцилиндровых двигателей — дизельные и с калильным зажиганием. Услышав слово «дизель», я встрепенулся: такой сложный двигатель можно уменьшить? Оказалось, так во всем мире называют компрессионный двигатель типа советских МК-12 и МК-16, в котором топливовоздушная смесь воспламенялась от сжатия. Топливом в нем служила смесь этилового эфира, минерального масла и керосина примерно в равных пропорциях. Кстати, самым лучшим авиамоделисты считают осветительный керосин. Двигатели с калильным зажиганием, где воспламенение топливовоздушной смеси происходит в конце такта сжатия от предварительно разогретой калильной головки, выигрывают за счет простоты и непревзойденной компактности, но они несколько дороже. Зимой калильный двигатель завести быстрее. С другой стороны, для запуска дизеля достаточно просто несколько раз провернуть винт, не надо раскалять калильную головку. В общем, есть сторонники и тех и других моторов. Но из-за применения эфира во многих странах, например в США, дизельные двигатели запрещены. В России тоже достать эфир довольно проблематично, хотя запретов на компрессионные двигатели нет. Хотя тот же метиловый спирт, который входит в состав топлива для калильных двигателей, тоже просто так в магазине не купишь.

Микродвигатель М-21XP для автомоделей багги

Работают в «Мастер Моторс» очень быстро — от чертежа до металла проходит около месяца. Еще месяц на доводку. Летчиками-испытателями служат члены московского авиамодельного клуба «Школа высшего спортивного мастерства «Высота»», спортсмены мирового уровня. Все их замечания мгновенно учитывают на производстве. Опытные образцы микродвигателей проходят самые тщательные и взыскательные испытания. Несмотря на то что принципиально авиамодельные двигатели не изменились со времен МК-12, это совершенно иные моторы. Появились совсем другие материалы: например, если раньше для поршней использовался чугун, то сейчас — современные алюминиевые сплавы. Очень сильно увеличилась точность изготовления. Например, уплотнительные кольца в двигателе отсутствуют за счет очень точного сопряжения поверхностей гильзы и поршня. Причем на поршне и гильзе есть конус, и в верхней точке они замыкаются почти намертво. Поэтому они должны быть произведены с ювелирной точностью: 5 микрон для них очень грубо. На «Мастер Моторс» есть даже отдельные специалисты, которые занимаются только притиркой пары «поршень — гильза» для микродвигателей, предназначенных для спорта высоких достижений.

Микродвигатель для авиамоделей воздушного боя «Мастер-2,5»

Гибридные мечты

Еще в далеком 1999 году в компании была разработана первая в мире гибридная автомодельная трансмиссия. Что она собой представляла? Двигатель, приводящий во вращение генератор, с которого электричество раздается на мотор-колеса, как в гигантском БелАЗе. Высокооборотистый модельный микродвигатель (25−35 тыс. оборотов в минуту) позволяет сделать очень маленький генератор. К сожалению, тогда на эту разработку не нашли инвесторов. Но идея не умерла. Сейчас разрабатываются портативные ранцевые электростанции мощностью 1−3 кВт, где будут стоять его высокооборотистые двигатели. «Такая мощность в одних руках!» — мечтает Анатолий Булгаков.

В ближайшее время «Мастер Моторс» планирует выйти на выпуск 2000 двигателей в месяц. На сегодняшний день микродвигатели компании становились чемпионами страны, Европы и мира. Их покупают почти во всех странах земного шара, где есть авиамодельный спорт. А сам Анатолий мечтает о новых современных станках, которые позволят ему делать и вовсе невероятные вещи. Прощаясь, спрашиваю напоследок: «А почему в детстве двигатель не завелся?» «Так там между поршнем и гильзой можно было палец засунуть», — смеется Булгаков.

Статья «Корпорация «Микромоторы»» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2018).

Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает

Само название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.

Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:

  • сдвиг, разность углов между векторными величинами;

  • потенциальный проводник двух, трех или четырехпроводной электрической схемы переменного тока;

  • одну из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя либо генератора.

Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.

Конструкция электродвигателя

По своему техническому устройству асинхронный двигатель состоит из:

1. статора — статической, неподвижной части, выполненной корпусом с расположенными на нем различными электротехническими элементами;

2. ротора, вращаемого силами электромагнитного поля статора.

Механическое соединение этих двух деталей выполнено за счет подшипников вращения, внутренние кольца которых посажены на подогнанные гнезда вала ротора, а внешние вмонтированы в защитные боковые крышки, закрепляемые на статоре.

Ротор

Его устройство у этих моделей такое же, как у всех асинхронных двигателей: на стальном валу смонтирован магнитопровод из шихтованных пластин на основе мягких сплавов железа. На его внешней поверхности выполнены пазы, в которые вмонтированы стержни обмоток из алюминия или меди, закороченные по концам на замыкающие кольца.

В обмотке ротора протекает электрический ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитопровод служит для хорошего прохождения создаваемого здесь же магнитного потока.

Отдельные конструкции ротора у однофазных двигателей могут быть выполнены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндра.

Статор

Конструкция статора также представлена:

  • корпусом;

  • магнитопроводом;

  • обмоткой.

Его основное назначение заключается в генерировании неподвижного или вращающегося электромагнитного поля.

Статорная обмотка обычно состоит из двух контуров:

1. рабочего;

2. пускового.

У самых простых конструкций, предназначенных для ручной раскрутки якоря, может быть выполнена всего одна обмотка.

Принцип работы асинхронного однофазного электрического двигателя

С целью упрощения изложения материала представим, что обмотка статора выполнена всего одним витком петли. Ее провода внутри статора разносят по кругу на 180 угловых градусов. По ней проходит переменный синусоидальный ток, имеющий положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле.

Как возникают пульсации магнитного поля

Разберем этот процесс на примере протекания положительной полуволны тока в моменты времени t1, t2, t3.

Она проходит по верхней части токопровода по направлению к нам, а по нижней — от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной магнитопроводом, вокруг проводника возникают магнитные потоки Ф.

Изменяющиеся по амплитуде токи в рассматриваемые моменты времени создают разные по величине электромагнитные поля Ф1, Ф2, Ф3. Поскольку ток в верхней и нижней половине один и тот же, но виток изогнут, то магнитные потоки каждой части направлены встречно и уничтожают действие друг друга. Определить это можно по правилу буравчика или правой руки.

Как видим, при положительной полуволне вращения магнитного поля не наблюдается, а происходит только его пульсация в верхней и нижней части провода, которая еще и взаимно уравновешивается в магнитопроводе. Этот же процесс происходит при отрицательном участке синусоиды, когда токи изменяют направление на противоположное.

Поскольку вращающееся магнитное поле отсутствует, то и ротор останется неподвижным, ибо нет сил, приложенных к нему для начала вращения.

Как создается вращение ротора в пульсирующем поле

Если теперь придать ротору вращение, хотя бы рукой, то он будет продолжать это движение.

Для объяснения этого явления покажем, что суммарный магнитный поток изменяется по частоте синусоиды тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с изменением направления на противоположное) и состоит из двух частей, образуемых в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.

Магнитное пульсирующее поле статора состоит из двух круговых с амплитудой Фмакс/2 и двигающихся в противоположных направлениях с одной частотой.

nпр=nобр=f60/p=1.

В этой формуле обозначены:

  • nпр и nобр частоты вращения магнитного поля статора в прямом и обратном направлениях;

  • n1 — скорость вращающегося магнитного потока (об/мин);

  • p — число пар полюсов;

  • f — частота тока в обмотке статора.

Теперь рукой придадим вращение двигателю в одну сторону, и он сразу подхватит движение за счет возникновения вращающегося момента, вызванного скольжением ротора относительно разных магнитных потоков прямого и обратного направлений.

Примем, что магнитный поток прямого направления совпадает с вращением ротора, а обратный, соответственно, будет противоположен. Если обозначить через n2 частоту вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2 < n1.

При этом обозначим Sпр = (n1-n2)/n1 = S.

Здесь индексами S и Sпр названы скольжения асинхронного двигателя и ротора относительного магнитного потока прямого направления.

У обратного потока скольжение Sобр выразится аналогичной формулой, но со сменой знака n2.

Sобр = (n1 — (-n2))/n1 = 2-Sпр.

В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила, которая создаст в ней токи таких же направлений I2пр и I2обр.

Их частота (в герцах) будет прямо пропорциональна величине скольжения.

f2пр=f1∙Sпр;

f2обр=f1∙Sобр.

Причем частота f2обр, образованная наведенным током I2обр, значительно превышает частоту f2пр.

Например, электродвигатель работает от сети 50 Гц с n1=1500, а n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет скольжение относительно магнитного потока прямого направления Sпр=0,04 и частоту тока f2пр=2 Гц. Обратное же скольжение Sобр=1,96, а частота тока f2обр=98 Гц.

На основании закона Ампера при взаимодействии тока I2пр и магнитного поля Фпр появится вращающий момент Мпр.

Мпр=сМ∙Фпр∙I2пр∙cosφ2пр.

Здесь величина постоянного коэффициента сМ зависит от конструкции двигателя.

При этом также действует обратный магнитный поток Мобр, который вычисляется по выражению:

Мобр=сМ∙Фобр∙I2обр∙cosφ2обр.

В итоге взаимодействия этих двух потоков появится результирующий:

М= Мпр-Мобр.

Внимание! При вращении ротора в нем наводятся токи разной частоты, которые создают моменты сил с разными направлениями. Поэтому якорь двигателя будет совершать вращение под действием пульсирующего магнитного поля в ту сторону, с которой он начал вращение.

Во время преодоления однофазным двигателем номинальной нагрузки создается небольшое скольжение с основной долей прямого крутящего момента Мпр. Противодействие тормозного, обратного магнитного поля Мобр сказывается совсем незначительно из-за различия частот токов прямого и обратного направлений.

f2обр обратного тока значительно превышает f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление Х2обр сильно превышает активную составляющую и обеспечивает большое размагничивающее действие обратного магнитного потока Фобр, который в итоге этого уменьшается.

Поскольку коэффициент мощности у двигателя под нагрузкой небольшой, то обратный магнитный поток не может оказать сильное воздействие на вращающийся ротор.

Когда же одна фаза сети подана на двигатель с неподвижным ротором (n2=0), то скольжения, как прямое, так и обратное равны единице, а магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены и вращения не возникает. Поэтому от подачи одной фазы невозможно раскрутить якорь электродвигателя.

Как быстро определить частоту вращения двигателя:

Как создается вращение ротора у однофазного асинхронного двигателя

За всю историю эксплуатации подобных устройств разработаны следующие конструкторские решения:

1. ручная раскрутка вала рукой или шнуром;

2. использование дополнительной обмотки, подключаемой на время запуска за счет омического, емкостного или индуктивного сопротивления;

3. расщепление короткозамкнутым магнитным витком магнитопровода статора.

Первый способ использовался в начальных разработках и не стал применяться в дальнейшем из-за возможных рисков получения травм при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепочек.

Применение фазосдвигающей обмотки в статоре

Чтобы придать начальное вращение ротору к статорной обмотке дополнительно на момент запуска подключают еще одну вспомогательную, но только сдвинутую по углу на 90 градусов. Ее выполняют более толстым проводом для пропускания бо́льших токов, чем протекающие в рабочей.

Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.

Здесь для включения применяется кнопка типа ПНВС, которая специально создана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, выпускаемых при СССР. У этой кнопки сразу включаются 3 контакта таким образом, что два крайних после нажатия и отпускания остаются зафиксированы во включенном состоянии, а средний — кратковременно замыкается, а потом под действием пружины возвращается в исходное положение.

Замкнутые же крайние контакты можно отключить нажатием на соседнюю кнопку «Стоп».

Кроме кнопочного выключателя для отключений дополнительной обмотки в автоматическом режиме используются:

1. центробежные переключатели;

2. дифференциальные или токовые реле;

3. механические таймеры времени.

Для улучшения запуска двигателя под нагрузкой применяются дополнительные элементы в фазосдвигающей обмотке.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

В такой схеме к статорной дополнительной обмотке последовательно монтируется омическое сопротивление. При этом намотка витков выполняется биффилярным способом, обеспечивающим коэффициент самоиндукции катушки очень близким к нулю.

За счет выполнения этих двух приемов при прохождении токов по разным обмоткам между ними возникает сдвиг по фазе порядка 30 градусов, чего вполне достаточно. Разность углов создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.

При этом методе еще может встречаться пусковая обмотка с заниженной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Для этого применяют намотку с маленьким числом витков провода заниженного поперечного сечения.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском

Емкостной сдвиг токов по фазе позволяет создать кратковременное подключение обмотки с последовательно соединенным конденсатором. Эта цепочка работает только во время выхода двигателя на режим, а затем отключается.

У конденсаторного запуска создается наибольший крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем при резистивном или индуктивном способе запуска. Он может достигать величины 45÷50% от номинального значения.

В отдельных схемах к цепочке рабочей обмотки, которая постоянно включена, тоже добавляют емкость. За счет этого добиваются отклонения токов в обмотках на угол порядка π/2. При этом в статоре сильно заметен сдвиг максимумов амплитуд, который обеспечивает хороший крутящий момент на валу.

За счет этого технического приема двигатель при пуске способен выработать больше мощности. Однако, такой метод используют только с приводами тяжелого запуска, например, для раскрутки барабана стиральной машины, заполненного бельем с водой.

Конденсаторный запуск позволяет изменять направление вращения якоря. Для этого достаточно сменить полярность подключения пусковой или рабочей обмотки.

Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами

У асинхронных двигателей с небольшой мощностью порядка 100 Вт используют расщепление магнитного потока статора за счет включения в полюс магнитопровода короткозамкнутого медного витка.

Разрезанный на две части такой полюс создает дополнительное магнитное поле, которое сдвинуто от основного по углу и ослабляет его в месте охваченного витком. За счет этого создается эллиптическое вращающееся поле, образующее момент вращения постоянного направления.

В подобных конструкциях можно встретить магнитные шунты, выполненные стальными пластинками, которые замыкают края наконечников статорных полюсов.

Двигатели подобных конструкций можно встретить в вентиляторных устройствах обдува воздуха. Они не обладают возможностью реверса.

Электродвигатель своими руками. Обучающее пособие по основам.

Привет, товарищи, друзья и недоброжелатели! Небольшой кит для построения (досборки) коллекторного электромотора. Так как это предназначено для детей (неустановленного возраста), мотать проволоку не придется, все будет весьма лайтово, но для ребенка интересно. Под катом — сборка, эксплуатация и замеры.
Сразу дисклеймер — этот конструктор был прислан мне на обзор Banggood по пункту 18. Т.е. я за него и за пересылку не заплатил не копейки. Вы же заплатите реальные деньги, прошу это учитывать в формировании собственного мнения о товаре.
Итак, второй конструктор дождался участи быть собранным. Как и предыдущий он просто пришел в пакете.
Упаковка — достаточно плотная коробочка, почти не пострадала. Вес его конечно гораздо выше.


Коробочка обильно снабжена изображениями собранного изделия, на одной из грани крупные иероглифы — решили с дочерью считать что там написано поздравление с Новым Годом

Нужно заметить, что тут предполагается куда меньше рукоделия чем в предыдущем конструкторе. Но, собственно, и инструкция тут куцая, и абсолютно китайская по диалекту,


а изображения на коробке так вообще откровенно дезинформируют!

(посмотрите как на принте на коробке установлены магниты. Ничего не смущает? Ох уж эти «штатные фотографы» производителя. Кроме того, установка изображена коллектором вверх. Как покажет дальнейшее, в данном устройстве «вверх и низ имеют значение».
Отметим, что на сайте BangGood изображения (фотографии) корректны — магниты установлены разнополюсно, коллектор с щетками внизу.
Внутри нашей коробчонки расположено:



Два магнита в форме параллелипипеда. Достаточно тяжелые, но не сверхмощные для такого-то размера.

Каркас, выполненный из пластика. Уже закреплены «щетки» и там же болтовые зажимы для проводов

Ротор с коллектором на оси.

Два проводка с обжатыми концами под болты.

Жестяной ключик, под зажим провода

Ну и вышеупомянутая невнятная инструкция.
Ну слава богу, мы в общих чертах знаем что сие такое ), поэтому после небольшой лекции переходим к сборке и закреплению урока.

Краткое содержание лекции Я не претендую на лавры лучшего учителя года, поэтому ограничился рассказом о том, что такое магнитное поле, из-за чего оно возникает (природные магниты и магнитное поле вокруг проводника с током) и как магнитные поля за счет притяжения и отталкивания могут двигать и/или вращать предметы.
Больше всего восхищения вызвал пассаж про «агрессивные магниты», которые толкают ротор через магнитные поля. Упрощение конечно большое, но зато каждый день просит рассказать снова про них
Сборка не вызывает особых проблем, но весьма смущает что на коробке собранное устройство изображено с магнитами установленными симметрично (т.е. N к N) — что противоречит инструкции, изображению на сайте, а главное физическому смыслу. Это печально.Так как ребенок, предоставленный самому себе естественно пытается собрать так как изображено на коробке, не дожидаясь тезисов про полюса магнитов.



Также, на коробке и в инструкции установка изображена вверх коллектором, а на сайте картинки наоборот.
В общем неразбериха.
В итоге самостоятельная сборка дала такой результат:



Пытаемся затянуть пластиковыми зажимами вилки проводков и сталкиваемся с тем, что черный зажим наотрез отказывается закручиваться до состояния прижатия. Не упорствуем, при помощи комплектного ключа зажимаем провод между каркасом и прижимной гайкой.



Теперь немного переделываем установку, параллельно объясняя, что было сделано не так )))
Устанавливаем магниты, следуя инструкции. Устанавливаем ротор с коллектором, ось аккуратно входит острыми концами в выточки на верхнем и нижнем зажимно болтике. Заводим коллектор между «щетками» так, чтобы они внатяг прижимались к коллекторы выштамповками.

Итак, все собрано, подтянуто, ось вращается.
Берем аккумулятор Eneloop (2000мАн, напряжение на момент подключения 1,31Вольт) и…
ничего не происходит. Покручиваем ротор в разные стороны. Ноль реакции.
Ну чтож, пойдем по экстенсивному пути — берем литий-ионный аккумулятор с напряжением 4,15Вольт. Аккумулятор «походивший», поэтому не ожидаем что он отдаст большой ток, что могло бы вызвать спец.эффекты.
Зажимаю контакты пальцами на аккумуляторе (да, согласен, это формирует неправильно восприятие техники безопасности у ребенка, будем исправлять) и чувствую — ток идет… и немалый, судя по тому как быстро нагреваются контакты под пальцами.
Крутнули ротор и «все же она вертится»

С снопиками искр из под «щеток», наш моторчик набирает обороты, наглядно демонстрируя, как ток с аккумулятора генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем стационарных магнитов.
Количество оборотов весьма приличное. Снимаем с замедлением 1/4х в надежде потом посчитать обороты.

Ребенок в восторге и много раз просит повторить «на бис», то сам прокручивая мотор, то прижимая контактики.
Еще раз пытаемся запустить от аккумулятора АА

Собственно уже тут можно заметить, что цель конструктора достигнута — немного теории, немного практики руками и большое удовольствие для закрепления материала. Теперь она каждый день просит у меня «поиграть в моторчик с агрессивными магнитами».

Изымаем собранное изделие у ребенка, когда он наигрался и проводим замеры и улучшения.
К сожалению, пока не удалось добиться автозапуска моторчика, только с ручного толчка. Вероятно, будь здесь трехполюсной якорь, такой проблемы бы не было. А это на самом деле насущно, потому что нежный детский пальчик может пострадать при ручном запуске.
Ток, протекающий на незапущенном моторчике, достаточно большой, больше ампера (1.21А) от литий-иона, это значит что больше 3 ватт уходит в прямом смысле в воздух.
После запуска ток немного падает и стабилизируется в районе 0,8-0,82А

Замена аккумулятора на свежий защищенный Panasonic 3400мАн приводит лишь к тому что каждый второй раз защита аккумулятора отрубает питание. Ток же сильно не возрастает. (1.1А). Но обороты возрастают (меньше падение напряжения под нагрузкой чем у старого Ли-Иона)

Замедленная съемка. Верхнее крепление затянуто несильно, видно биение.

Число оборотов не превышает 40 оборотов в секунду.
Берем смазку для подшипников и смазываем конусные пары трения оси ротора. Немножко переподтягиваем. Вращение становится более ровным и стабильным (уходят биения) и вроде даже возрастают обороты.

Но в любом случае обороты не выше 40 оборотов в секунду при токе 0,95А
Хорошо, берем теперь аккумулятор АА.
Пара неудачных попыток и двигатель запускается и на нем. Но работает слабо, неуверенно и затихает.

Ток при незапущенном двигателе составляет 0,46А
А что если мы перевернем нашу конструкцию, чтобы коллектор был внизу — и о чудо, работа от АА куда как увереннее. Возможно дело в меньшем трении в этой конусной паре при работе опорником…

Замеряем ток, опять же в состоянии «не запущен» и в состоянии «запущен». Опять снимаем замедленное видео с целью приблизительно определить количество оборотов.

Здесь уже можно более менее точно сказать что на элементе АА количество оборотов в районе 10-12 оборотов в секунду.
Тем не менее на аккумуляторе наш мотор все норовит остановится, хотя кушает 0,6А

Также замеряем сопротивление обмотки. Приблизительно 2.5Ом

Ротор удалось запустить от руки на манер юлы, т.е. он достаточно сбалансирован относительно оси.
Вот на этой фото можно заценить качество намотки

Так как наши «щетки» — просто металлические выштамповки, коллектор они царапают дай боже

Взвешивания Вес ротора составляет 24 грамма

Каркас весит 47 грамм

Для полноты картины взвешиваем магниты (36 и 37 грамм)

и замеряем сколько в статике они, приблизительно, могут удержать металла (по весу). Это в принципе неважно, но пусть будет. (210гр+)


Сопротивление предложенных проводков составило у минусового 0,2Ом и 0,2Ом у плюсового.


Я вообще заметил, что на муське особый оргастический восторг комментаторов вызывает измерение всего что только можно измерить, даже если это не принципиально для товара, или его стоимость никак не оправдывает такую детализацию.
Я было подумал наведаться в лабораторию альма-матер и исследовать магнитные поля, генерируемые магнитами и моторчиком в сборе, провести исследование материалов из которых сделан каркас (нет ли там вредных примесей в пластике), уточнить, не бескислородную ли медь пустили на намотки. Кроме того, меня заинтересовала величина светового потока генерируемого искрами от щеток, елозящих по коллектору (естественно в боксе). Были еще интересные идеи замера звукового давления. Один из моих друзей серьезно утверждал, что я должен исследовать, как проглатывание магнита скажется на пищеварительном тракте («ты обязан»- кричал он, «вдруг кто-то из твоих читателей купит такое, но недосмотрит и ребенок проглотит магнит!»), но по здравому размышлению я отказался от такой проверки на себе. Поэтому, не обессудьте, что нет анализа кардиограммы моего сердца в момент запуска двигателя когда я пальцем прижимаю контакты (а какие там должны быть колебания… от восторга…).
Подводя итоги хочу заметить следующее:
1) Инструкция бессмысленна и неполноценна. Нет ни подробной информации, ни предупреждений о применимых источниках питания. Более того, картинки на коробке (неправильные) напрямую контрастируют с картинками в инструкции.
2) Комплект не совсем полон, нет источника питания. Если у людей нет фонарикофилии (запасов литий-иона/полимера), то скорее всего возникнут проблемы при запуске от элемента питания АА, или запуск будет не зрелищным (затухающим). А кто-то от особого ума может решить подключить на вход раздербаненный провод USB от сетевого источника питания или вообще подключить 220вольт. Предупреждающих же надписей ни на коробке ни в инструкции на понятном английском языке нет
3) Косяк с минусовым зажимом.
4) Скопидомство на третьем полюсе на якоре. Лучше бы на бакс дороже, но с нормальным автозапуском, а не риском получить по пальцу или зажать палец между ротором и магнитом
5) Вообще необъяснимое скопидомство на щетках. Поверхность коллектора очень быстро износится от такой эксплуатации, щетки стоят копейки. Придется искать что-то подходящее, иначе игрушка тоже быстро станет одноразовой.
Теперь о плюсах, и помним, что я это получил бесплатно, а вы заплатите что-то в районе 500 рублей (!)
1) Игрушка-конструктор достаточно габаритная и наглядная. Возможно часть цены ушла в большие магниты и медь на якоре)))
2) При наличии аккумулятора 4.2 вольта запустить ее можно легко, равно как и собрать. Фейла не будет (если конечно установите магниты по инструкции, а не как на коробке нарисовано).
3) Вокруг нее можно выстроить целую лекцию, как по глубине для дошкольников, так и школьников среднего возраста (с которыми уже углубляться в детали относительно намоток, количества полюсов у якоря, уменьшения трения в конусных парах и т.д.)
4) у ребенка 4 лет она вызвала интерес, радость, и желание повторять и повторять опыты.
Замечу, что вы можете сами соорудить что-то подобное, раздербанив какой-нибудь не нужный небольшой электромотор. Так что эта трата не является незаменимой подсобными средствами.
Однако, если BangGood будет делать скидки на эту модель, или у вас там образуются какие-нибудь пойнты или что у них там — можно упростить себе жизнь, заказав и собрав эту модель, так как она все же наглядна.
Надеюсь, что по факту обзора вы сможете сформировать собственное мнение, нужен ли вам такой обучающий конструктор за такие деньги.
Всем спасибо.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

FILED UNDER : Справочник

Страницы