Всем день добрый!

Суть вопроса: запуск ДВС с помощью бесколлекторного электродвигателя (БЭД).

Теперь обо всем по порядку...

Проблема №1 - ДВС будет установлен на сверхлегком самолете. Отсюда следуют высокая надежность и требуемый малый вес всей конструкции. Поэтому, решено посадить БЭД непосредственно на вал ДВС. ДВС мощностью 11.2 л.с, бензиновый. Степень сжатия 7.8. Какие-нибудь редукторы для увеличения крутящего момента БЭД не допустимы (проблема №2).

Проблема №2. При установке БЭД непосредственно на вал ДВС появляется возможность использовать БЭД в качестве генератора. Важно использовать эту возможность!!!

Проблема №3. Использование датчиков положения ротора БЭД крайне не желательно, да и нет таких датчиков в авиамодельных БЭД. Как контролировать положение ротора БЭД? Как контролировать "опрокидывание" ротора БЭД?

Предполагаемое решение проблемы: использовать маятниковый режим раскрутки вала ДВС (периодическое изменение направления вращения вала ДВС с постоянной раскачкой вала до момента прохождения поршня верхней точки) используя инерцию вращения воздушного винта.

Прикрепленные фотографии: БЭД и макет силовой установки для отладки электронной части стартера/генератора (БЭД от CD-ROM`а, пружина - имитация упругого хода поршня ДВС (регулировкой натяжения пружины регулирую степень сжатия ДВС), деревянная планка - имитация воздушного винта).

Всем огромное спасибо за желание помочь!!!!


Собственно сам ДВС

DLA-111 Spec.
Performance: 11.2hp @ 7500rpm
Idle: 1400rpm
Thrust: 25.8kg @ 100mtr / 28.3kg @ 1800mtr (Above sea level)
Suggested prop: 26x10, 27x10, 28x10
Spark Plug: NGK CM6
Bore/Stroke: 45.1 x 35mm
Compression: 7.8:1
Fuel: 2C Regular Gas mixed 30:1(break-in) - 45:1(Regular/Sport flying)
CDI Electronic Ignition.
Carburettor

Можно контролировать положение ротора с помощью обратной ЭДС, правда на низких скоростях вращения это довольно затруднительно, так как ЭДС зависит от скорости вращения.

Для запуска двигателя используется предопределенный набор коммутаций обмоток, а как только обнаружился устойчивый сигнал обратной ЭДС, можно переключать двигатель на режим самосинхронизации.

В АН-2 проблему полвека назад решили.
Стартер маломощный сначала раскручивал маховичок, потом все это сцеплялось с двигателем. Там аккумулятор - всего 14 амперчасов, кажется.
А движок за 1000л.с запускал.
Ну и генератором будет работать напрямую с валом ДВС.

Есть еще один способ. Используется при запуске мощных дизелей, на сколько мне известно.
Только для него ДВС, что указан, придется дорабатывать - установить по небольшому клапану на
каждый цилиндр... Суть метода в том, что перед стартовой раскруткой коленвала, открываются и
оставляются в открытом положении клапана во всех цилиндрах. В дизелях есть специальный
механизм для этого. Отсутствие компрессии обеспечивает очень легкое прокучивание вала.
Когда достигнута достаточная скорость вращения, клапана закрываются (точнее, переводятся
в нормальный рабочий режим). За счет накопленной в маховике кинетической энергии происходит
запуск двигателя... В таком варианте, можно будет обойтись без редуктора и без "сцепляющего"
механизма на валу...

Я именно так и расчитывал сделать. На днях займусь. Думаю сделать так: повернуть вал до упора, затем крутануть в обратную сторону (но уже с контролем ЭДС свободной обмотки), и когда амплитуда ЭДС в свободной обмотке уменьшится до определенного значения (что будет означать торможение вала) дать возможность довернуть валу до упора по инерции. При обратном ходе вала (но не сразу) синхронизироваться с ЭДС любой обмотки и повторить весь цикл заново. Здесь будет важно снять ток незадолго до торможения и дать немного спустя на обратном ходу.

Здесь сразу возникает одна проблема: запуск в воздухе. Начальная компрессия будет больше нуля (винт будет стремится провернуться от набегающего потока воздуха) и положение винта буде другим. Будет ли работать один и тот же алгоритм раскрутки в этих двух случаях? Вылезти на крыло и крутануть винт вручную у меня не будет возможности.

Спасибо за помощь!!!!



Идея то хорошая... Я об этом то же думал... но взлетный вес всего в районе 180 кг. А двигателей два. Значит, два маховика + два автомата сцепления... Думаю, с таким грузом я не взлечу. А ведь еще будет маховик авиагоризонта... В общем, пока не уперся рогом, буду раскручивать свою идею, а там посмотрим.

З.Ы. Интересно, на АН-2 сцепление из титана сделано? Какой же там механический удар должен быть при массивных как там агрегатах?

Спасибо за совет!!!



То же вариант хороший. Действительно, с выкрученой свечей зажигания вал крутится на ура. Но пилить ДВС пока не буду. Не хочу снижать надежность. Наоборот, хочу увеличить.. Такие ДВС как правило имеют особенность расстраиваться в зависимости от приработки и внешних условий эксплуатации. Поэтому, хочу сделать систему контроля оборотов и при снижении меньше холостых, сервомашинкой (а лучше двумя дублирующими друг-друга) увеличивать газ и автоматически раскручивать ДВС электродвигателем, чтобы исключить останов ДВС в воздухе. От части, это еще и заменит дублирование зажигания.




Всем спасибо за идеи!!!!

Вы эту идею не "хороните" раньше времени. Пилить ДВС совсем не обязательно - достаточно доработать
или разработать свечи специальной конструкции. Но конструкция должна быть очень надежной! Давление
знаете какое в цилиндрах... В идеале, если движок остановиться в полете, можно будет обойтись вообще без
стартера - раскрутить за счет набегающего на винт потока воздуха. Так что, думайте...

ЭДС будет иметь форму синусоиды амплитуда и частота которой зависит от скорости вращения ротора, поэтому контролируя уровень ЭДС на одной свободной обмотке выяснить тормозится, раскручивается или скорость вращения его постоянна будет довольно затруднительно.

Алгоритм для запуска будет работать в не зависимости от того, в каком положении будет находится ротор.

В аттаче есть кое-какие файлы.
Sensorless_control - схема детекции обратной ЭДС
Остальное апноуты от Atmel по управлению BLDC двигателями с помощью обратной ЭДС.

P.S. А идея @Ark как по мне вполне осуществима.
Например свечи с электромагнитными клапанами, правда жарковато электромагнитикам будет

To Rostislav на второй и третьей картинке это вы не привод для дисков оперировали?)

идея выкинуть распредвал и всю систему ГРМ и поставить электромагнитные клапана наверняка многим приходила в голову, но почему-то до сих пор не реализована. видимо сложности все-таки есть

Так вроде европейские автомобилесторители давно перешли на электромагнитные клапана.

В данном ДВС клапанов нет совсем, если я не ошибаюсь. Следовательно и ГРМ.
Движок-то двухтактный, как в мототцикле...

Угу.. Его... Привод...

За PDF`фы огромное спасибо!!! Ща смотрю... Сегодня попробую запустить макет...

Идея с электромагнитными клапанами то же хорошая. Но, думаю, снизит степень компрессии. Ведь при установке клапана появится (конструктивно) дополнительный объем, который будет уменьшать степень сжатия.



Это точно

да? может я не в курсе, где именно это реализовано, приведите ссылки

я в том смысле, что Вы предлагаете фактически ввести в конструкцию электромагнитные клапана

PDF изучил, ни чего не понял...

Там говорится об угле опережения. Это понятно.. Но это для равноускоренного вращения вала двигателя. А если вращение с замедлением?

Теперь о детектировании положения. На рисунке я указал время t1 и t2. На сколько я понимаю, обычно ловят компаратором момент перехода ЭДС свободной обмотки через 0, и предполагают, что t1 примерно = t2. В моем случае, в конце отрезка времени t1, вал двигателя может начать вращаться в обратную сторону. Как раз это, как я понимаю, и есть случай "опрокидывания" ротора двигателя, а времена t1 и t2 могут отличаться очень серьезно и предугадать момент переключения обмоток будет очень сложно. Говорить тут об опережении вообще нельзя..

Алгоритмы указанные в PDF скорее всего работают после выхода вала двигателя на определенные обороты, когда вращение более равномерное. При раскрутке (малых оборотах) обмотки переключают по таблице. В моем случае табличное управления на малых оборотах не подходит. Вал сильно тормозится поршнем ДВС.

Чё делать? А?

Поставить энкодер, непосредственно на вал ДВС и электродвигателя.
Он упростит задачу управления бесколлекторником, а за одно и системой зажигания...
Ничего он не будет весить на фоне веса вашего движка...

Ok... Будет вариантом решения задачи №2.
Об энкодере я думал. Энкодер дает максимум информации о статике, а вот обмотка - о динамике вращения. В данном случае иформация со свободной обмотки даже полезнее. Можно будет определить ускорение вращения вала и подстроится под него... Но как? Пока не придумал, думаю...

Кстати, абсолютный угол вала прикинуть можно и без энкодера. В моем случае в начальный момент времени угол =0. Кол-во обмоток в БЭД`е (на фотографии) - 9. Угол между ними 360 / 9 = 40 град. Следовательно, уже можно определить (правда, только на земле) момент включения зажигания и не допустить вращения вала ДВС в противоположную сторону.

Это не так. Энкодер дает полную информацию об угловом положении, угловой скорости и угловом
ускорении при соответствующей обработке. А ток - определяет момент двигателя. Этой информации
достаточно, чтобы иметь полную картину в любой момент времени...

Да, навеное Вы правы. Если взять энкодер с большим числом импульс/оборот... Ладно, буду думать... Спасибо!

Попутный вопрос ко всем.

При стандартной схеме выходного каскада, переход БЭД в режим генератора (в моем случае) будет корректным или же БЭД нужно будет отключать от схемы управления? Коммутировать обмотки в режиме генератора, естественно, я не собираюсь.

Спасибо!

В таком случае энкодер и векторное будет в самый раз.

Схему выходного каскада в режиме генератора можно не отключать, главное, чтобы транзисторы были закрыты.

To stells ссылку привести не могу, так как читал это в каком-то автомобильном журнале, а вот в каком не помню
Но там писалось, что БМВ использует похожую систему в некоторых своих двигателях.

Но похоже это уже оффтоп, так что давайте закруглятся

не похоже это на оффтоп, потому как тема называется "Нетривиальная задача!, Запуск ДВС с помощью БЭД". для облегчения задачи запуска @Ark подметил, что неплохо бы снять компрессию на время раскрутки коленвала мотора, а для этого нужно добавить какой-то клапан в камеру сгорания.
я поискал статьи на тему использования электромагнитных клапанов в системах газораспределения и пришел к выводу, что подобные работы велись с середины прошлого века, но толком до сих пор никто ничего не придумал

в качестве энкодера могу посоветовать микросхемку AS5040
ооочинь знатная серия микрух

Сделать полноценный ГРМ с э/м клапанами действительно сложно, но ведь задача так не стоит. Нужен один клапан на цилиндр и скорость его открытия/закрытия не очень критична. Он используется только при пуске... Мне представляется, что совместить его конструктивно со свечой зажигания - самый правильный вариант. Но это - отдельная разработка, уже в области механики. Ее должен делать соотв. специалист. Принципиально все решаемо, на мой взгляд...

Не думаю. что в Ан2 до титана дошло, тогде его, как конструкционного материала вообще еще не было. Самолет прост и изящен, классика мировая.
Антонов весовой дисциплиной дорожил. Может, стоило бы поискать подробности. Поставить такую нетрадиционную систему пуска двигателя, наверно были серьезные доводы "за". И аккумулятор сэкономили и мощный стартер. По-видимому, маховик был не так уж массивен.

А может опозитный мотор сможет помочь сам себя завести?
Относительно небольшим стартером колебательными движениями прокачать свежую смесь в цилиндры, затем резко вращаем назад и в момент остановки даем искру, затем остается немного помочь стартером прокрутить через ВМТ.

Rostislav , мы пробовали решать похожую проблему для небольшого БПЛА.
BLDC двигатель был закреплён без редуктора прямо на валу ДВС.
Правда, ДВС был одноцилиндровый, 4х тактный.
У двигателя в бездатчиковом варианте не получилось развить требуемый момент , необходимый для запуска.
Так что, видимо, Вам придётся устанавливать датчики на БК мотор.
На мой взгляд - это самый правильный выход.

Приемлемый. Фрикционная муфта, состоявшая из набора бронзовых и стальных колец, ограничивала передаваемый момент. При этом электромотор стартера имел мощность всего лишь 1,5 л.с. При оборотах 14000 об/мин, что по тем временам (конец 30-х, начало 40-х) было бешеной скоростью. Отсюда и высокая кинетическая энергия. Так что я бы так категорически отрицательно к редукторам не относился.

К мотору Антонов не имел отношения, его проектировали другие люди, и титан в его конструкции действительно не использовался. Зато магниевые сплавы (горят хорошо! ) присутствовали. Позже, насколько знаю, в конструкции самого кукурузника стали применять отдельные детали из титана.
Весь агрегат стартера вместе с муфтой, маховиком, редуктором и прочими потрохами весил чуть более 18кг.
Сорри за ностальгию...

Всем огромное спасибо за разъяснения и советы!!!

Утяжелять дополнительным оборудованием (клапанами, маломощными стартерами и т.д.) самолет пока не буду. Была у меня идейка с редуктором и двумя обгонными муфтами. Но ведь редуктор надо еще сделать, найти шестерни, муфты, подшипники, сделать корпус.



Да, именно с моментом и проблема, вернее с его нехваткой.

А пока... Собрал схему, написал программу для PIC`а, запустил и... Полная опа! БЭД трещит, а вращатся не собирается. Хотя при выполнении программы микроконтроллера с остановками перед переключением обмоток рамка очень уверенно поворачивается. Кручу пока без загрузочной пружины, в холостую. Пробывал крутануть вручную, рамка вращается с замедлением до полной остановки. Иногда, есть подхват и рамка вращается без остановки. Но БЭД при этом трещит как-то неравномерно. Управляю пока табличным методом, т.е. с предустановленным режимом коммутации обмоток. Что-то здесь не так. Как-то пробывал раскрутить БЭД от жесткого диска, все ОК. А здесь БЭД как-то странно "упирается".

Караул!!! Что я делаю не так?

Осциллограммы проверял, на обмотках все ОК! БЭД с соедененными звездой обмотками. Увеличивал ток через обмотки, плясал с бубном два раза и ты.ды.

Какая-то обратная связь всё-таки есть?

Пока нет. Т.е. електрически есть (резестивные делители), но не использую. Надо дописывать программу. Когда эксперементировал с БЭД от жесткого диска, то расручивал вал до 13000 об/мин БЕЗ обратной связи. Правда далее не раскручивался, срыв был (опрокидывание ротора). Но это были 13000 тыщ, а тут и 60 об/мин не получается.

Боюсь, придется применить электродвигатель постоянного тока, например от электродрели на аккумуляторах. Но вот не люблю я щетки! Изнашиваются они и искрят, а там бензин рядом.



Да, микруха крутая! Взял на заметку, спасибо!!!

Без обратной связи БК мотор раскрутить не получится.
Точнее сказать, большинство из них нормально не крутятся без отслеживания положения ротора.
(Хотя видимо БК от Жёсткого Диска - это исключение).

Поставьте датчики положения ротора - это не так сложно, как кажется
заодно и станет понятно, может ли Ваш БК мотор в принципе дать такой момент на старте, чтобы запустить ДВС.
Есть ещё одно предположение( которое я не проверял). Если мотор соединить не напрямую,
а хотя бы через редуктор 1/4, то стартовать получится и в бездатчиковом режиме,
при соответствующих алгоритмах старта БК мотора( с анализом BEMF на свободном выводе).

Безуспешно провел еще несколько экспериментов. Видимо, без датчиков положения ротора ни как. AS5040 вариант хороший. Но, может быть кто знает законченный модуль на датчике такого типа? Паять микросхему в таком корпусе будет не просто и получится кустарно. Желательно что-то подешевле. У этой микросхемы есть один недостаток - нужно как-то крепить магнит, причем на немагнитном материале. Непосредственно на металлический вал БЭД крепить нельзя.

Спасибо!!!

А в чём проблема крепления,вытачиваете из стеклотекстолита стакан с резьбой,вклеиваете магнит и вкручиваете стакан в вал.Данная конструкция работает до 6 000 об\мин проверено .Микросхемка AS5040 слегка кусачая в цене,да и по скорости как тот в пределе.ЗДЕСЬ есть подешевле и и получше и именно для BLDC.А паять не так и трудно ,так даже жало обычного паяльника 60вт простого расплющить и побольше флюса,провести по каждому ряду корпуса ssop16.А при наличии жала микроволна запаять так просто удовольствие.

Датчики положения ротора для БК мотора делаются на датчиках Холла с логическим выходом.
Я использовал вот такие - SS411A. Они есть в Терраэлектронике.
Магниты для них никуда клеить не надо - можно использовать встроенные в ротор BLDC магниты.
Т.е. просто нужно прислонить датчик чувствительной стороной к ротору мотора, с небольшим зазором.

Спозиционировать эти датчики тоже предельно просто - запустить мотор от любого модельного контроллера,
и сравнивать сигналы с датчика Холла и напряжение на соотв. фазе.
Перемещая датчик по мотору можно подобрать нужную фазу.

Вот отсюда http://dev.sinusoid.com/articles/2008/11/0...er-using-as5043
можно взять схему модуля на as5043.

я по 60 гривен покупал
не особо то и кусаче для не серийного девайса

О! Спасибо! В понедельник на работе попрошу помощи с английским и попробую заказать. Правда, что-то я не нащел там цены и типа датчика. Буду разбираться.

Люди!!! А возможно ли использовать в качестве датчика угла шаговый двигатель. А то валяются у меня два трехдюймовых дисковвода. Там ведь должно быть очень много импульсов на оборот? А?

Спасибо!

использовать можно
но в вашем случае он испортится