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Motor

Calculateur de bobinage BLDC

Calculez les paramètres d'enroulement du moteur BLDC : tours par bobine, calibre de fil, facteur de remplissage, facteur d'enroulement et résistance de phase. Schéma d'enroulement visuel pour les configurations en triangle et en œil.

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Formule

N=1Kv,rad⋅p⋅Φ⋅Kw1⋅Cconn,Kv,Δ=Kv,Y×3N = \frac{1}{K_{v,rad} \cdot p \cdot \Phi \cdot K_{w1} \cdot C_{conn}}, \quad K_{v,\Delta} = K_{v,Y} \times \sqrt{3}

Référence: Hanselman, D. — Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed.

N— Turns per coil (series per phase) (turns)
K_v,rad— Motor velocity constant (rad/s/V)
p— Pole pairs
Φ— Flux per pole (Wb)
K_w1— Fundamental winding factor
C— Connection factor (1 for wye, √3 for delta)

Comment ça marche

Ce calculateur détermine les paramètres d'enroulement BLDC, y compris les tours par phase, le calibre du fil, le facteur de remplissage et le facteur d'enroulement à partir de la géométrie du moteur et de la valeur Kv cible. Les constructeurs de moteurs à rembobinage pour drones, avions téléguidés et moteurs industriels l'utilisent pour optimiser le compromis entre Kv (vitesse) et constante de couple.

Le facteur d'enroulement $K_ {w1} $ quantifie l'efficacité avec laquelle l'enroulement du stator relie le flux du rotor. Selon « Brushless Permanent Magnet Motor Design » de Hanselman (2006), Kw1=Kd  timesKpK_ {w1} = K_d \ times K_p, où le facteur de distribution $K_d = \ sin (q \ alpha/2)/(q \ sin (\ alpha/2)) $ et le facteur de hauteur $K_p = \ cos (\ beta/2) $. Pour les enroulements concentrés (dent unique, q=1q=1), Kd=1K_d = 1 et le facteur de tangage domine. La configuration à 12 emplacements et 14 pôles (12N14P) atteint Kw1  environ0,933K_ {w1} \ environ 0,933, ce qui en fait la topologie de moteur de drone la plus populaire.

La constante Back-EMF est directement liée aux spires d'enroulement : $K_e = 2 \ cdot N_t \ cdot K_ {w1} \ cdot \ Phi_P/\ sqrt {3} $ pour la connexion en œillet, où $ \ Phi_P$ est le flux par pôle et NtN_t est le nombre de tours par phase. Kv évolue inversement avec les virages : la réduction de moitié des tours double Kv. La connexion delta donne $K_v^ {\ Delta} = \ sqrt {3} \ times K_v^ {Y} $ pour le même nombre de bobines car la tension de ligne est égale à la tension de phase en étoile mais $ \ sqrt {3} $ multipliée par la tension de phase en delta.

Le facteur de remplissage $K_ {fill} $ mesure la partie de la surface de fente disponible qui est occupée par du cuivre. Les moteurs à remontage manuel atteignent 35 à 45 %, les moteurs à remontage mécanique 50 à 65 %. Un facteur de remplissage plus élevé signifie une résistance plus faible et une meilleure efficacité, mais nécessite un acheminement minutieux des fils. La surface de la fente $A_ {slot} $ et la section transversale du fil $A_ {wire} $ donnent $K_ {fill} = N_t \ cdot A_ {wire}/A_ {slot} $.

Exemple Résolu

Rembobinage d'un moteur de drone de taille 2212 de 920 kV à 500 kV pour un quad lourd. Original : 12N14P, delta, 7 tours par dent, fil de 0,4 mm.

Étape 1 - Déterminez le ratio de tours requis : Rapport kVk_V = 920/500 = 1,84 Nouveaux tours par dent = 7 x 1,84 = 12,9, arrondir à 13 tours Nouveau KvK_v réel = 920 x (7/13) = 495 Kv

Étape 2 - Calculez le calibre de fil maximal : Surface de la fente (stator 2212) : environ 4,2 mm2^2 Facteur de remplissage cible : 40 % (remontage manuel) Surface de cuivre disponible = 4,2 x 0,40 = 1,68 mm2^2 Surface du câble par tour = 1,68/13 = 0,129 mm2^2 Diamètre du fil = $ \ sqrt {4 \ times 0,129/\ pi} $ = 0,406 mm -> utilisez 0,35 mm (AWG 27) Surface de fil réelle = 0,0962 mm2^2, facteur de remplissage = 13 x 0,0962/4,2 = 29,8 %

Étape 3 - Vérifiez la capacité actuelle : AWG 27 à 6 A/mm2^2 cote prudente : 0,0962 x 6 = 0,58 A par fil À 500 Kv sur 4S (14,8 V) : courant maximum ~ 15 A en rafale, ~ 5 A en vol stationnaire Courant de phase en delta = courant de ligne/$ \ sqrt {3} $ = 5/1,73 = 2,89 A Densité de courant = 2,89/0,0962 = 30 A/mm2^2 - acceptable pour les courtes rafales uniquement

Étape 4 - Vérifiez le facteur d'enroulement : 12N14P : $K_ {w1} $ = 0,933 (inchangé après rembobinage) Augmentation effective de KeK_e = (13/7) x 1,0 = 1,857x -> confirme l'objectif d'environ 500 Kv

Résultat : 13 tours de fil AWG 27 en delta atteignent environ 495 kV avec un facteur de remplissage de 29,8 %. Le courant continu doit rester inférieur à 3 A par phase (18 A/mm2^2) pour des raisons de sécurité thermique.

Conseils Pratiques

  • ✓Maintenez le facteur de remplissage en dessous de 45 % pour le bobinage manuel. Le dépassement de ce seuil entraîne des croisements de fils qui créent des points chauds et endommagent l'isolation ; l'enroulement de la machine peut atteindre 60 % avec une superposition appropriée
  • ✓Utilisez une densité de courant de 5 à 8 A/mm^2 pour un fonctionnement continu et jusqu'à 30 A/mm^2 pour de courtes rafales (<10 secondes) conformément aux directives de Hanselman ; le dépassement de ces limites entraîne un emballement thermique rapide
  • ✓Préférez le 12N14P pour un couple régulier (faible crantage, Kw1 = 0,933) et le 9N12P pour les applications à haute vitesse où un nombre de pôles réduit les pertes de fer au détriment d'une ondulation de couple légèrement plus élevée

Erreurs Fréquentes

  • ✗Enrouler une bobine dans le mauvais sens : chaque dent doit alterner sa polarité magnétique selon le schéma d'enroulement (par exemple, AABBBCCAAABBBCC pour 12N14P) - une seule bobine inversée provoque des vibrations, une réduction du couple et une désynchronisation potentielle de l'ESC
  • ✗Dépassement du facteur de remplissage des fentes en utilisant un fil surdimensionné : le fait de forcer un fil épais dans une fente pleine endommage l'isolation en émail, provoquant des courts-circuits entre les tours qui apparaissent comme une résistance réduite et un comportement moteur erratique sous charge
  • ✗Ignorer la différence de Kv entre le delta et l'œil : une connexion delta produit un Kv carré (3) = 1,73 fois plus élevé que Wye avec des bobines identiques. Les rembobineurs qui passent du delta à l'œil sans ajouter de tours obtiennent un moteur 42 % plus lent que prévu

Foire Aux Questions

Les combinaisons les plus courantes sont le 12N14P (drones, cardans) et le 9N12P (outils à haute vitesse). Selon Hanselman, la règle clé est que les fentes et les poteaux ne doivent pas partager un facteur commun égal au nombre de pôles, ce qui évite le crantage. Le 12N14P possède un facteur d'enroulement de 0,933 et un couple d'engrenage très faible, ce qui en fait la valeur par défaut pour les moteurs multirotors. Pour les vitesses supérieures à 20 000 tr/min, moins de pôles (par exemple, 6N8P) réduisent les pertes en fer.
La connexion Wye (étoile) a une contre-EMF par phase sqrt (3) fois plus élevée que la connexion delta pour la même bobine, ce qui signifie que Wye donne un Kv inférieur et un couple par ampère plus élevé. Delta donne 1,73 fois plus de Kv (plus de vitesse) mais consomme 3 fois plus de courant de phase au même couple. La plupart des ESC de drones supposent une connexion oculaire. Utilisez le delta lorsque vous avez besoin d'un Kv plus élevé sans réduire les virages, ou le Wye lorsque vous souhaitez une efficacité de couple maximale.
Le facteur d'enroulement Kw1 est le produit du facteur de distribution et du facteur de tangage, généralement 0,85 à 0,95 pour les moteurs BLDC. Il représente la fraction du flux total qui relie réellement l'enroulement : un Kw1 de 0,933 signifie que 6,7 % du couple potentiel est perdu en raison de la géométrie de l'enroulement. Un Kw1 plus élevé augmente directement la constante de couple et l'efficacité. Les enroulements concentrés (une bobine par dent) simplifient la fabrication mais peuvent avoir un Kw1 inférieur à celui des enroulements distribués en fonction du rapport fente/pôle.

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