تبدیل موتور AC قدیمی به موتور براشلس برای دوچرخه برقی

اول از همه باید موتوری که قرار هست تغییرش بدیم رو بررسی کنیم. موتوری که من انتخاب کردم یک موتور القایی تک‌فاز مال یک دریل ستونی قدیمیه. داخلش یک استاتور ورقه‌ورقه با سیم‌پیچ‌های توزیع‌شده و یک روتور قفس‌سنجابی قرار داره.

حالا بعد از باز کردن موتور، استاتور رو دقیق شمردم و دیدم 24 تا شیار داره. این عدد فوق‌العاده‌ست چون 24 بر 3 بخش‌پذیره و برای اینکه بتونیم موتور رو به حالت سه‌فاز (براشلس) سیم‌پیچی کنیم، حتما باید تعداد شیارها مضربی از 3 باشه.

قدم بعدی که یه مقدار هم زور بازو می‌خواد، خالی کردن استاتور از سیم‌پیچ‌های اصلیه. این سیم‌ها خیلی فشرده هستن و با شارلاک حسابی سر جای خودشون محکم شدن. برای درآوردن این سیم‌ها می‌تونی از ترکیب چکش و مغار یا یک ابزار نوسانی برش استفاده کنی.

من اول سیم‌های مسی رو از هر دو طرف استاتور هم‌سطح با فلز بریدم. بعدش با کمک چکش و سنبه، باقی‌مانده مس‌ها رو از داخل شیارها بیرون کشیدم. راستش رو بخوای، این مرحله با تمام سخت بودنش خیلی لذت‌بخش و سرگرم‌کننده‌ست!

پیکربندی سیم‌پیچ‌ها

نقشه کار اینه که این موتور رو به یک موتور براشلس 24 شیار و 16 قطب تبدیل کنیم. برای این کار از یک الگوی استاندارد سه‌فاز استفاده می‌کنیم. می‌تونی از ابزارهای آنلاین محاسبه سیم‌پیچی برای درآوردن نقشه دقیق استفاده کنی.

این الگوها معمولا برای موتورهای اوترانر (Outrunner) نمایش داده می‌شن، اما برای موتورهای اینرانر (Inrunner) مثل موتور ما هم کاملا یکسان هستن.

انتخاب نوع سیم

برای سیم‌پیچی استاتور، از سیم لاکی مسی نسوز سایز 23 AWG استفاده کردم. البته دلیل اصلی انتخاب این سایز این بود که از پروژه‌های قبلی چند قرقره ازش برام باقی مونده بود!

برای اینکه بفهمم دقیقا چقدر سیم داخل هر شیار جا می‌شه، استاتور رو داخل نرم‌افزار مدل‌سازی کردم و چند بار هم به‌صورت تستی سیم‌پیچی رو انجام دادم.

در نهایت به این نتیجه رسیدم که استفاده از 12 رشته سیم به‌صورت موازی با 4 دور پیچش دور هر دندانه، بهترین حالت ممکنه. با این کار، سطح مقطع مس به حدود 3.1 میلی‌متر مربع می‌رسه که تقریبا معادل یک سیم ضخیم سایز 12 AWG هست. هدف اینه که موتور بدون داغ کردن بیش‌ازحد، بتونه جریان مناسبی رو از خودش عبور بده.

تاثیر تعداد دور بر رفتار موتور

باید بدونی که مقدار مس و تعداد دور سیم‌ها مستقیما روی عملکرد موتور تاثیر می‌ذاره. اگر تعداد دور روی هر دندانه زیاد باشه، گشتاور بالاتر می‌ره، سرعت نهایی کمتر می‌شه و برای یک گشتاور مشخص جریان کمتری نیازه. از طرف دیگه، اگر تعداد دورها کمتر باشه، سرعت نهایی بالاتر می‌ره، گشتاور کمتر می‌شه و موتور جریان بیشتری می‌کشه.

در این پروژه، رسیدن به 4 دور سیم‌پیچ بیشتر بر اساس تست‌های عملی و فضای خالی شیارها به دست اومد که خوشبختانه نتیجه خیلی خوبی هم داشت.

آماده‌سازی فازها

برای اینکه موقع کار سرعت بیشتری داشته باشم، سیم‌ها رو از قبل آماده کردم. دو تا میله چوبی رو به میز کارم گیره کردم و سیم رو شش بار دورشون پیچیدم تا دوازده رشته ایجاد بشه. بعد اون رو چیدم و روی یک قرقره جدید پیچیدم. این کار رو برای هر سه فاز انجام دادم تا همه‌چیز برای شروع مرتب باشه.

حالا باید استاتور رو برای سیم‌پیچی آماده کنیم. برای اینکه روکش لاکی سیم‌ها موقع پیچیدن خراش برنداره و موتور در درازمدت اتصالی نکنه، داخل تمام شیارهای استاتور رو با کاغذ نسوز مخصوص عایق‌کاری کردم. برای محافظت بیشتر، حلقه‌هایی پلاستیکی از جنس نایلون نسوز پرینت سه‌بعدی کردم و دو طرف استاتور قرار دادم. این حلقه‌ها نمی‌ذارن سیم روی لبه‌های تیز فلزی کشیده بشه.

یادت باشه حتما از فیلامنت‌های مقاوم در برابر حرارت استفاده کنی، چون موتور حسابی داغ می‌شه و پلاستیک‌های معمولی مثل PLA خیلی زود ذوب می‌شن.

برای اینکه سیم‌ها خیلی تمیز و مرتب کنار هم قرار بگیرن، یک‌سری ابزار کمکی (جیگ) طراحی و پرینت کردم که داخل شیارها کشیده می‌شن. این قطعات سیم رو محکم سر جاش نگه می‌دارن و مطمئن می‌شن که فضای کافی برای هر 4 دور سیم وجود داره، بدون اینکه سیم‌ها روی هم گره بخورند.

+6

بریم سراغ بخش اصلی یعنی سیم‌پیچی! دور هر دندانه دقیقا 4 دور از اون دسته سیم 12 رشته‌ای پیچیدم. استفاده از قطعات کمکی که تو مرحله قبل ساختم، باعث شد تا کشش سیم‌ها و فاصله‌شون کاملا یکدست بشه. وقتی کل شیارها پر شد، سیم‌های اضافه رو چیدم، روکش لاکی انتهای سیم‌ها رو با دقت تراشیدم و اون‌ها رو لحیم‌کاری کردم.

در نهایت با قرار دادن مولتی‌متر روی حالت بوق (تست اتصال کوتاه)، چک کردم که هیچ‌کدوم از فازها به هم اتصالی نداشته باشن. این مرحله یکم زمان‌بر و خسته‌کننده‌ست، اما وقتی استاتور با اون سیم‌پیچ‌های تمیز و فشرده آماده می‌شه، خستگی آدم درمی‌ره!

+5

کارمون با استاتور تموم شد و حالا باید بریم سراغ روتور. برای اینکه بتونیم آهنرباها رو روی روتور سوار کنیم، باید قطرش رو کمی کم کنیم.

من از آهنرباهای بلوکی نئودیمیوم گرید N52 با ابعاد 40 در 10 در 5 میلی‌متر استفاده کردم. چون طول روتور هم 40 میلی‌متره، این سایز کاملا ایده‌آله.

با استفاده از دستگاه تراش، قطر خارجی روتور رو از 64 میلی‌متر به حدود 49 میلی‌متر کاهش دادم. بعدش یک روکش مخصوص با فیلامنت نایلون الیاف کربن طراحی و پرینت کردم. این روکش دقیقا روی روتور می‌شینه و فضای مناسبی برای قرار گرفتن آهنرباها ایجاد می‌کنه، طوری که بین روتور و استاتور حدود 0.5 تا 0.9 میلی‌متر فاصله هوایی بمونه.

قبل از چسباندن، سطح روتور رو کمی سمباده زدم تا چسب بهتر عمل کنه و بعد با استفاده از چسب دوقلوی قوی، روکش پلاستیکی رو روی فلز فیکس کردم. شاید چسب زیادی استفاده کرده باشم، اما اصلا دلم نمی‌خواست موقع چرخش موتور با چند هزار دور در دقیقه قطعات از هم بپاشه! قبل از نصب آهنرباها، اجازه دادم چسب 24 ساعت کامل خشک بشه.

+4

حالا وقتشه که قطب‌های مغناطیسی رو بسازیم. کف تک‌تک آهنرباها رو سمباده زدم و با چسب اپوکسی قوی اون‌ها رو داخل شیارهای روکش روتور چسباندم. خیلی مهمه که قطب‌ها رو یکی‌درمیان (شمال-جنوب-شمال-جنوب) قرار بدی.

این کار یکم کثیف‌کاری داره، اما قبل از خشک شدن چسب می‌تونی اضافه‌هاش رو به راحتی پاک کنی. برای اینکه آهنرباها تا زمان خشک شدن چسب محکم سر جای خودشون بمونن، یک‌سری گیره نگه‌دارنده سه‌بعدی هم پرینت کردم.

نتیجه نهایی روتور فوق‌العاده شد؛ هم خیلی محکم به نظر می‌رسه، هم ظاهر جذابی داره و مهم‌تر از همه، خیلی دقیق و نرم داخل استاتور جا می‌ره.

با آماده شدن استاتور و نصب آهنرباهای روتور، موتور رو دوباره سرهم کردم تا یک تست اولیه ازش بگیرم. برای این کار از یک اسپید کنترل (ESC) بدون سنسور و یک سروو تستر استفاده کردم. اسپید کنترل‌ها به راحتی سیگنال‌های PWM سروو رو می‌خونن و این بهترین روش برای تست سرعت موتور بدون نیاز به رادیوکنترلرهای پیچیده‌ست.

برای این تست، سیم‌پیچ‌ها رو با پیکربندی ستاره (WYE) به هم وصل کردم. این اتصال برای موتورهای براشلس خیلی محبوبه، چون تعادل خوبی بین گشتاور، راندمان و مصرف جریان پایین ایجاد می‌کنه. وقتی برق رو وصل کردم، موتور بدون هیچ لرزش و مشکلی شروع به چرخش کرد و این یعنی تمام مراحل سیم‌پیچی و نصب آهنرباها تا اینجا بی‌نقص بوده!

نصب سنسورهای اثر هال

سنسورهای اثر هال قطعات کوچکی هستن که میدان مغناطیسی و قطب‌های اون رو تشخیص می‌دن. توی موتورهای براشلس، از این سنسورها برای پیدا کردن موقعیت دقیق روتور استفاده می‌شه تا درایور بدونه چه زمانی باید جریان رو به کدوم فاز بفرسته. این فیدبک، عملکرد موتور رو در سرعت‌های پایین و لحظه شروع حرکت به شدت نرم و قدرتمند می‌کنه.

سنسورهایی که در این موتورها استفاده می‌شن، با عبور از قطب‌های شمال و جنوب آهنربا تغییر وضعیت می‌دن. درایور من می‌تونه با زوایای 60 یا 120 درجه الکتریکی کار کنه، اما من تصمیم گرفتم سنسورها رو با فاصله 120 درجه تنظیم کنم. خیلی از کنترلرها می‌تونن با هر دو حالت کار کنند، اما انتخاب من برای این پروژه همون 120 درجه الکتریکی بود.

درجات مکانیکی در برابر درجات الکتریکی

قبل از چسباندن سنسورها، باید حساب کنیم که روتور چند درجه مکانیکی باید بچرخه تا یک چرخه کامل الکتریکی طی بشه. درجه مکانیکی همون چرخش فیزیکی شفت موتوره.

1. یک چرخش کامل = 360 درجه مکانیکی

اما درجه الکتریکی به چرخه مغناطیسی روتور اشاره داره.

1. یک چرخه کامل شمال به جنوب و دوباره به شمال = 360 درجه الکتریکی

روتور ما 16 قطب (یا 8 جفت قطب) داره. پس 360 درجه مکانیکی تقسیم بر 8، می‌شه 45 درجه مکانیکی به ازای هر چرخه کامل الکتریکی.

1. (360 درجه مکانیکی تقسیم بر 8 جفت قطب) = 45 درجه مکانیکی برای هر 360 درجه الکتریکی.

چون ما فاصله 120 درجه الکتریکی رو می‌خوایم، باید این عدد رو بر 3 تقسیم کنیم. در نتیجه به فاصله 15 درجه مکانیکی می‌رسیم.

1. 45 درجه مکانیکی تقسیم بر 3 = 15 درجه مکانیکی به ازای هر 120 درجه الکتریکی

جالبه بدونی فاصله فیزیکی بین هر شیار استاتور ما دقیقا همون 15 درجه است!

1. زاویه مکانیکی هر شیار = 360 درجه تقسیم بر 24 = 15 درجه

بنابراین خیلی راحت سنسورها رو با فاصله یک شیار از همدیگه قرار می‌دیم تا به همون 120 درجه الکتریکی برسیم. برای نصب، اول سنسورها رو به یک کابل 5 رشته‌ای لحیم کردم و بعد با چسب اپوکسی داخل شیارهای استاتور محکم چسباندم.

نصب سنسور دما

برای اینکه خیالم از بابت داغ شدن موتور راحت باشه، یک ترمیستور ده کیلواهمی (NTC) هم کنار سنسورهای هال اضافه کردم. این سنسور به نمایشگر دوچرخه متصل می‌شه و در تمام طول مسیر دمای دقیق موتور رو به من نشون می‌ده. این سنسور رو هم با همون چسب اپوکسی سر جاش فیکس کردم.

+6

نصب گوه‌های نگهدارنده استاتور

تا اینجای کار برای نگه داشتن سیم‌پیچ‌ها از گوه‌های پلاستیکی معمولی (PLA) استفاده کرده بودم. حالا وقتشه که اون‌ها رو با گوه‌های پرینت‌شده از جنس نایلون نسوز جایگزین کنم تا در برابر حرارت بالای موتور در زمان کار کاملا مقاوم باشن.

لحیم‌کاری کابل‌های قدرت

برای اتصال محکم سیم‌پیچ‌ها به کابل‌های اصلی موتور، از کانکتورهای مفصلی بدون روکش استفاده کردم. سر سیم‌های استاتور رو به همراه کابل‌های ضخیم سایز 10 AWG داخل کانکتورها پرس کردم و بعد با مقدار زیادی فلاکس و قلع، حسابی لحیم‌شون کردم. در آخر هم روی همه اتصالات وارنیش حرارتی کشیدم.

برای لحیم‌کاری این سیم‌های ضخیم، هویه‌های معمولی جواب نمی‌دن و بهتره از یک هویه گازی پرقدرت استفاده کنی تا قلع به خوبی ذوب بشه.

تست نهایی و مونتاژ

بعد از مرتب کردن سیم‌ها با بست کمربندی، موتور رو دوباره بستم و این بار به یک درایور سنسوردار و یک باتری 48 ولت متصل کردم تا رفتار سنسورها رو بررسی کنم.

نکته مهم اینه که ترکیب سیم‌های فاز و سنسورهای هال در موتورهای براشلس 36 حالت مختلف داره! پس رسیدن به ترکیب درست نیاز به کمی آزمون و خطا داره.

اگر موتور در ابتدا لرزش داشت، صدای عجیبی داد یا روشن نشد، نگران نباش. فقط سیم‌های سنسور هال رو ثابت نگه دار و جای دو تا از سیم‌های فاز رو عوض کن تا به نرم‌ترین حالت چرخش برسی. اگر جواب نداد، ترتیب سیم‌های سنسور هال رو تغییر بده و دوباره امتحان کن. البته خیلی از کنترلرهای جدید قابلیت شناسایی خودکار دارن که این مرحله رو برات تو چند ثانیه انجام می‌دن.

وقتی همه‌چیز رو درست وصل کردم، موتور با سرعت حدود 3950 دور در دقیقه و با صدای بسیار نرمی شروع به کار کرد. بعد از یک تمیزکاری و رنگ‌آمیزی، این هیولای براشلس کاملا آماده شد. قدم بعدی نصب این موتور روی شاسی دوچرخه است!

+10

برای این پروژه یک دوچرخه تک‌دنده انتخاب کردم تا بتونم بدون درگیری با سیستم دنده‌ها، پولی رو مستقیم به خودروی عقب متصل کنم. این کار پیچیدگی‌های مونتاژ رو خیلی کم می‌کنه.

به جای زنجیر، از سیستم تسمه تایم استفاده کردم. چون موتور نیاز به کاهش دور بالایی داشت، تسمه این امکان رو می‌داد که یک پولی بزرگ و سبک رو سه‌بعدی پرینت کنم. کل شاسی دوچرخه رو مدل‌سازی کردم تا براکت موتور، پولی‌ها و جعبه اتصالات کاملا دقیق طراحی بشن.

پولی چرخ عقب از جنس نایلون و با 160 دندانه پرینت شد. این قطعه روی خودروی عقب می‌شینه و برای محکم کردنش، خودرو رو سوراخ کردم و پولی رو مستقیم بهش پیچ کردم.

برای شفت موتور هم از یک پولی 22 دندانه استفاده کردم. شفت موتور 14 میلی‌متر بود، پس قطر داخلی پولی رو با دستگاه تراش بزرگ کردم و جای خار رو هم درآوردم. نسبت تبدیل این سیستم 7.27 به 1 شد که گشتاور عالی رو به چرخ منتقل می‌کنه.

براکت موتور طوری طراحی شده که از بالا به شاسی دوچرخه قفل می‌شه و از پایین با پیچ روی بدنه محکم می‌شه تا هیچ لرزش و انحرافی نداشته باشه. برای تمام سیم‌های سیگنال هم از کانکتورهای JST-SM استفاده کردم. کنترلر موتور و جعبه اتصالات رو با گیره‌های مخصوص روی بدنه محکم کردم. این گیره‌ها برای نصب قطعات روی شاسی دوچرخه عالی هستند.

تسمه‌های تایم نیاز به کشش بالایی دارن تا رد نکنن، به همین خاطر مجبور شدم علاوه بر کشویی براکت موتور، یک تسمه‌سفت‌کن مجزا هم به سیستم اضافه کنم. البته اگر می‌خواستم دوباره طراحیش کنم، احتمالا از تسمه‌ای با گام بزرگ‌تر یا پولی بزرگ‌تر استفاده می‌کردم تا به کشش کمتری نیاز باشه.

در نهایت، باتری روی ترک‌بند عقب دوچرخه با بندهای چسبی محکم شد. حالا همه‌چیز برای یک سواری هیجان‌انگیز آماده‌ست!

برای تست‌های اولیه، جریان موتور رو روی 30 آمپر محدود کردم. با توجه به ضخامت سیم‌پیچ‌ها، این جریان محدود باعث می‌شه تا دما کنترل بشه و سیم‌پیچ‌ها آسیبی نبینن.

بررسی عملکرد حرکتی

عملکرد این موتور تبدیل‌شده واقعا فراتر از انتظارم بود! شتاب‌گیری کاملا نرم و بدون هیچ تقه و مکثی انجام می‌شه و گشتاور موتور به قدری بالاست که شیب‌های تند رو بدون کوچک‌ترین افتی بالا می‌ره. راستش رو بخوای، رفتار این موتور دقیقا شبیه موتورهای براشلس کارخانه‌ایه و اصلا حس یک موتور دست‌ساز رو بهت نمی‌ده.

با اینکه نمایشگر دوچرخه اطلاعات خیلی خوبی از وضعیت برق و دما می‌ده، اما گرفتن تست با دستگاه داینو می‌تونه قدم جذاب بعدی برای سنجش دقیق قدرت این موتور باشه.

عملکرد حرارتی موتور

به کمک سنسور دمایی که نصب کرده بودیم، تمام مسیر دما رو مانیتور کردم. بعد از بالا رفتن از یک شیب 300 متری با فشار زیاد، دمای موتور در نهایت به 70 درجه سانتی‌گراد رسید که برای چنین موتوری کاملا در محدوده ایمن و استاندارده.

سیستم ترمز احیاکننده

توی تنظیمات درایور، قابلیت ترمز احیاکننده رو هم فعال کردم. این یعنی وقتی دستت رو از روی گاز برمی‌داری، موتور مثل یک ژنراتور عمل می‌کنه و انرژی جنبشی رو به باتری برمی‌گردونه؛ اینطوری هم ترمز می‌گیری و هم باتری رو شارژ می‌کنی.

گشتاور دندانه‌ای

تنها چیزی که قبل از ساخت انتظارش رو نداشتم، مقدار مقاومت مغناطیسی شفت یا همون گشتاور دندانه‌ای این موتور بود. وقتی می‌خوای شفت موتور رو با دست بچرخانی، به خاطر قدرت زیاد آهنرباها و درگیر شدنشون با دندانه‌های استاتور، موتور حالت پله‌پله و سفت داره. البته این موضوع در زمان سواری اصلا حس نمی‌شه، اما وقتی دوچرخه رو خاموش با دست هل می‌دی کاملا متوجهش می‌شی.

تبدیل یک موتور القایی تک‌فاز خراب به یک موتور براشلس قدرتمند، یکی از اون پروژه‌هایی بود که با وجود زمان‌بر بودن، ارزش تک‌تک لحظاتی که براش وقت گذاشتم رو داشت. دیدن اینکه تمام اون محاسبات، سیم‌پیچی‌ها و قطعات پرینت‌شده دست‌به‌دست هم می‌دن تا یک دوچرخه رو با قدرت به حرکت دربیارن، حس بی‌نظیری داره.

امیدوارم از این آموزش لذت برده باشی و ایده‌های جدیدی برای ساختن وسایل برقی تو ذهنت جرقه زده باشه. اگر تو هم تجربه مشابهی در سیم‌پیچی موتور یا ساخت دوچرخه برقی داری، حتما نظرت رو برام بنویس. مرسی که تا آخر این پروژه با آیسی‌مدار همراه بودی؛ ابزارها رو بردار و ساختن رو شروع کن!