Силовые электроприводы-ликбез

Силовые электроприводы---автор Книжников ВВ

Электромотор(электродвигатель)---- это преобразователь электромагнитной мощности, как произведение силы тока на напряжение в механическую мощность вращения, как произведение момента силы на круговую частоту в режиме создания тяги!

Принцип работы любого типа электромотора ----это силовое взаимодействие вращающегося ротора с бегущим электромагнитным полем катушек статора!!!

Все типы электродвигателей имеют полную обратимость по преобразованию видов энергии----режим электрогенератора на ветряках и режим тормоза на электрокарах!

более подробно смотри статью "Основы электротехники-ликбез"

Звезда и треугольник

Чудесное решение изменение моментной характеристики мотора к силе тока это включение обмоток треугольником или звездой!

При треугольнике суммарная последовательно-параллельная индуктивность падает между фазами и значит растёт "оборотистость" Ku(рад/сек/вольт)!

При звезде последовательные индуктивности складываются между фазами и растёт "моментность" Ki(ньютон х метр/ампер)!

Соотношение Кхх(герц/вольт) треугольник к звезде примерно (3)^0.5=1.73 раз---соотношение активного электросопротивления звезды к треугольнику 3 раза!

Так как у мотора с постоянными магнитами момент силы вращения (Ньютон х Метр) прямо пропорционален силе тока (Ампер), а круговая частота(Радиан /секунда) прямо пропорциональна напряжению питания(Вольт) ------то соотношение момента к току это постоянная Ki=M / I и обратно пропорционально 6.28 частоте вращения(Герц) деленной на напряжение называется электромеханическим параметром Ku=2пи fнаг / Uинд ----

фундаментальное тождество  Ki =1/Ku=1/(2пи Коб Kхх) ---

Все обмотки мотора напрямую питаются переменным трёхфазным напряжением синхронизуемых по углу расположения магнитопровода в зазоре между статором и ротором-----за это отвечает преобразователи постоянного напряжения в трехфазное переменное типа коллекторно -щёточный электромеханический узел на так условно называемых электродвигателях постоянного напряжения или электронный драйвер на чипах с силовыми полевыми ключами на бесколлекторных электромоторах называемый электрический скоростной контроллер или в народе регулятор хода! Поэтому этот тип называется синхронный линейный электромотор с постоянными магнитами!

Редукция

Гениальнейшее изобретение электротехники-----это магнитная редукция в бк электромоторах получена простым конструктивом----в P-раз увеличением кол-вом магнитов ротора (полюсов) всегда кратное двум и N-раз кол-во зубьев статора всегда кратное трём! например записывается как 12N14P ---классика!

Данное свойство полностью заменяет понижающий частоту вращения вала механический редуктор с потерями на лишние трение и массу!

Магнитная редукция это кол-во переключений фаз туда и обратно за один оборот ротора и равно кол-ву пар магнитов!

тип эд---- коэф. магнитной редукции---применение
3N2P----------------1-----------------авто
3N4P----------------2-----------------судо
6N4P----------------2-----------------судо
6N8P----------------4-----------------импеллер
9N6P----------------3-----------------импеллер
9N8P----------------4-----------------авиа
9N12P---------------6-----------------авиа
12N8P---------------4-----------------авиа
12N10P--------------5-----------------авиа
12N14P--------------7-----------------авиа
12N16P--------------8-----------------авиа
18N20P--------------10----------------коптер
18N24P--------------12----------------коптер
24N28P--------------14----------------мотор-колесо

Граничная частота переключений фаз равна произведению Кv х напряжение питания х коэффициент редукции Кред и не более 300 тысяч переключений в минуту и ограничена возможностью переходных процессах в датчиках положения магнитопровода на предмет срыва синхронизации------например теоретически мотор с Кv 2100 оборотов в мин на вольт с 7 парами магнитов можно запитать 20 вольтами разогнать до 42 000 оборотов минуту!

Усреднённая конструктивная плотность современного бесколлекторного многополюсного эд из различных металлов ро=3500кг/м3=3.5г/см3---m=0.8po Dэд^2 Hэд!

Удельная мощность ЭД

Критическая температура постоянных магнитов, когда они размагничиваются, называется "точка Кюри"  и она зависит от материалов сплава ферромагнетика!

Существует четыре основных класса редкоземельных магнитов по "удельной силе намагничивания" или магнитной индукцией В в Тесла!

№ поколения и материал с напряженностью магнитного поля
1) ферритовые "слабые"  --------Ткюри=+80грС,   В=0.9Тсл,   Н18--Н20!
2) кобальтовые "средние" -------Ткюри=+90грС,   В=1.1Тсл,   Н30--Н32!!
3) неодимовые "сильные"  -------Ткюри=+100грС,  В=1.25Тсл,  Н38--Н40!!!
4) неодимовые "сверхсильные" ---Ткюри=+110грС,  В=1.45Тсл,  Н50--Н55!!!!

Первое поколение аутрайнеров-(вращение внешнего ротора-стакана) основано на слабых магнитах черного цвета для класса Н20 и поэтому продолжительная максимальная потребляемая удельная мощность при среднем обдуве была 2вт/г и кратковременная до (5--10)секунд уже 3вт/г!

Второе поколение на средних магнитах коричневого цвета для класса Н30 и поэтому продолжительная максимальная потребляемая удельная мощность при среднем обдуве была 4вт/г и кратковременная уже 6вт/г!

Третье на сильных магнитах анодированных металлом серебристого цвета от окисления для Н40 уже имело продолжительно 10вт/г и кратковременно 15вт/г!

Четвёртое поколение на сверхсильных магнитах серебристого цвета соответственно для Н55----- 20вт/г и 30вт/г!

КПД эд

коэффициент полезного действия или эффективного преобразования потребляемой электрической мощности в механическую на валу это соотношение----

КПДэд=100% Рмех/Рэл=100% Mw/(UаккуI) и КПДмах=(0.7нано--0.75микро--0.8мини--0.85миди--0.9макси--0.95мега)100% для современных бесколлекторных эд!

Народное Кv(обороты в минуту/вольт)/60=Кхх(Гц/в)----оборотистость эд на холостом ходу

На практике оборотистость под рабочей нагрузкой Кнаг электромотора уменьшается в (1.05неосил--1.11неоср---1.17кобальт--1.25ферро) раза от Кхх замеренного на холостом ходу----объясняется повышением плотности магнитного потока в зазоре между магнитами ротора и зубьями статора от дополнительного наведенного магнитного поля обмоткой фазы статора от силы тока под рабочей нагрузкой(эффект электромагнита-соленоид), оно обычно на порядок слабее постоянного магнита ----растёт моментность эд!!!

это аналог наведённого понижающего редуктора----поэтому всегда при расчётах на калькуляторах типа "екалк" в поле передаточного числа редуктора обязательно вносить 1/Коб и только тогда выходные параметры электро-ВМГ будут похожи на правду!!! поэтому столбец "мотор-максимальный режим" соответствует только параметрам ВМГ в горизонтальном полёте на полном газу(динамика),так как мотор уже разгружен от режима стопа(статика)!!!

коэф падения оборотистости  под пиковой нагрузкой Коб=0.8 для электромоторов первого поколения на ферритовых магнитах,
Коб=0.85 для бк-эд второго поколения на магнитах Н30 ---- Коб=0.9 для третьего поколения Н40-----Коб=0.95 для четвёртого  Н55)

  частота вращения ротора под пиковой нагрузкой на полном газу в режиме тяги на стопе от габаритов, Гц=обор/сек------fнаг=(КПДэд Коб) Uакку Kxx 

1) для эд первого поколения Коб=0.8-------fнаг=(0.5нано--0.55микро-- 0.6мини--0.65миди--0.7макси--0.75мега) U Kxx!

2) для эд второго поколения Коб=0.85-------fнаг=(0.55нано--0.6микро-- 0.65мини--0.7миди--0.75макси--0.8мега) U Kxx!!

3) для эд третьего поколения Коб=0.9------fнаг=(0.6нано--0.65микро-- 0.7мини--0.75миди--0.8макси--0.85мега) U Kxx!!!

4) для эд четвёртого поколения Коб=0.95----fнаг=(0.65нано--0.7микро-- 0.75мини--0.8миди--0.85макси--0.9мега) U Kxx!!!!

например мотор третьего поколения на хх выдаёт 12500 оборотов в минуту, а с винтом на полном газу 9000 об/мин, тогда КПДэму=fнаг/Kоб fхх =9000/(0.9х12500)=0.8=80%!

ПИК МОЩНОСТИ ЭД

так как плотность магнитного потока в зазоре между статором и ротором В определяется классом постоянных магнитов, то такая характеристика как пиковая удельная электромагнитная мощность Рэл на площадь рабочей поверхности статора Sстатор постоянна и равна ------

Рэл/Sстатор=(0.32--2)вт/мм2 для современных бк моторов, тогда Рэл=Кпок Sстатор=Кпок Пи d s!

1) Рэл = (1--1.5)d s----первого поколения

2) Рэл = (2--2.5)d s----второго поколения

3) Рэл = (3--4)d s---третьего поколения

4) Рэл = (5--6)d s---четвёртое поколения

например для бк мотора 2215 первого поколения, где статор диаметром d=22мм и толщиной s=15мм, пиковая электромагнитная мощность статора будет 22х15=330вт , которую может переварить статорное железо по закону насыщения ферромагнитика!

более подробно смотри статью "предел электро ЭМУ"

Охлаждение

При капотировании эд ради защиты от механического загрязнения необходимы  проточные воздушные каналы для эффективной вентиляции по правилу
------ выходное сечение "дырки" в полтора раза больше входной и площадь равна торцу мотора!

Большинство бк электромоторов типа аутрайнер имеют удельную пиковую мощность теплового рассеивания менее 1 ватт на грамм в течении 10-15 секунд при комнатной температуре------объясняется это тепловой мощностью омических потерь на нагрев обмоток и паразитных токов перемагничивания статора, которую надо рассеивать охлаждением методом обдува окружающим воздухом или забортной водой через трубчатый змеевик!

Рпотерь/m=Рэл(1-КПДэд)/mэд!

Эффект принудительного рассеивания тепловой мощности прямо пропорционален скорости потока охладителя (воздух)!

1) при Рп/m=0.5вт/г---слабый обдув (7--10)м/с типичен для коптеров

2) при Рп/m=1вт/г---нормальный (15--20)м/с для крылатых паркфлаеров

3) при Рп/m=1.5вт/г---средний (25--30)м/с для средних размеров авиамоделей

4) при Рп/m=2вт/г----сильный (35--40)м/с для больших моделей самолётов

5) при Рп/m=3вт/г---сверхсильный (50--60)м/с для гонок и импеллеров

5) при Рп/m=6вт/г---мегасильный (100--120)м/с для рекордов скорости

Кстати именно коэф. поколения эд указывает на пиковую мощность рассеивания ------эмпирично Кпок=Рп/m, например для Квторое=2вт/г!

Обычно температура внутри статора не превышает 110 гр С под полной нагрузкой, а температура  ротора не более 80 гр С иначе при перегреве неодимовых магнитов выше точки Кюри происходит размагничивание!

Самое главное это охлаждение меди обмоток ----так как омическое сопротивление растет с повышением температуры проводника, а тепловая мощность это произведение квадрата силы тока на электросопротивления, то это приводит к ещё более интенсивным потерям мощи в тепло и начинается лавинообразный процесс нагрева-----лаковая изоляция провода выгорает уже при +250гр С, вызывая внутренний пробой коротыша между витками -----сопротивление меди в этот момент может увеличиться в 2 раза !

На практике при пике э-мощности сопротивление обмоток возрастает в 1.5 раза от нагрева и Ртеп=1.5Rэд Iмах^2 , где Rэд ом.сопротивление между двумя 
фазами при +20гр С! обычно производители пишут максимальный ток под нагрузкой Iмах=(Кпок Iхх Uакку/Rэд)^0.5 и Рпотерь=Ртеп+Рпер=(1.5Кпок+1)Iхх Uакку

На пике удельной мощности можно эксплуатировать бк мотор только при сильном обдуве холодным воздухом от винта-----например при +30гр С всего 10 сек---при +20гр С уже 20 сек---при +10 гр С 30 сек---при 0С 40сек ---при -10 гр С 50сек ----при -20 гр С все 60 секунд!

Максимальная потребляемая удельная мощность бесколлекторных электро-двигателей типа аутрайнер при нормальной долгой эксплуатации и хорошем охлаждении обычно 3-4 вт/г или 3-4 квт/кг ! При форсаже эд напряжением в 1.5-2 раза от номинала рекомендуемым производителем можно повысить пиковую удельную мощность до 6-8 вт/г при броске мощности на 2-3 секунды, но велика вероятность спалить мотор , так как выделяется много тепловой энергии омических потерь!

Например форсаж по напряжению с 11В при электротоке под нагрузкой 22А до 15В при 30А для э-ВМГ второго поколения бк2205-2300 с пропеллером 5х5х3 указывает на резкое падение КПД эд (синий) и прекращение роста силы тяги на стопе (красный)------это опасный режим перекала обмоток фаз и магнитов по току!

Вывод----при форсаже по напряжению надо облегчать винт до 4х4х3 или ставить двухлопастной 5х4!!!

Удельная тепловая мощность рассеивания мотора эквивалентна приращённой температуре Тпр(0.2вт/г=20грС---0.5вт/г=50грС---1вт/г=100грС---2вт/г=200грС) 
и температура мотора это сумма температур воздуха и теплового приращения Тм=Тв+Тпр при номинальном обдуве (15--20)м/с!!!

Омическое сопротивление мотора при тепловых потерях 1вт/г увеличивается примерно в полтора раза при температуре обмоток +120грС!!!

Температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов приблизительно равен α = 0,0043°С^-1, это значит, что их сопротивление увеличится на 4.3%, при росте температуры на 10°С.

На практике при полезной загрузке удельной мощности в 1вт/г эд работает на дросселированном КПД=75-80% при модельной размерности и мощностью тепловых потерь всего 0.2вт/г----типичный крейсер на дронах при 95% времени автожизни или щадящий режим эксплуатации электро-эму типа связки мотора, регулятора хода и аккумулятора и максимальном ресурсе.

Ресурс

Ресурс бк электромоторов в основном определяется количеством оборотов под нагрузкой и определяется качеством материала и люфтами-----малейшие биение от дисбаланса ротора, колеса или винта, повышенная рабочая температура статора от плохого охлаждения, долгая эксплуатация на пике мощности, боковая нагрузка плюс абразивные загрязнения и отсутствие смазки сильно снижает ресурс подшипника на износ!

Например стандартный качественный шарикоподшипник качения на трех мм вал при надлежащем уходе держит около 25-30 миллионов оборотов при средней частоте 5-6 тысяч оборотов в минуту.

За это время обмотки переключаются около 200 миллионов раз вызывая естественную микровибрацию соседних витков трущихся изоляцией друг о друга, соответственно двойная лаковая изоляция приветствуется и дополнительная соответствующая пропитка обмоток жидким лаком типа цапон или подобными!

При работе в режиме крейсера при удельной эконом-мощности эд 1вт/г ресурс в часах равен массе эд в граммах t(час)=m(грамм)!

при загрузки в крейсерском режиме 1 вт/г или 60 вт потребляемой мощи на моторчик массой 60 г второго поколения мы имеем максимальное кпд в 75% -----так называемый щадящий максимальный ресурс------подшипники слабо нагружены, обмотки и статор почти не греются.

Промышленные эд

Цены на бк многополюсные электромоторы одного класса типа аутрайнера иногда различаются в 4-5 раз у разных производителей----объясняется это в первую очередь стоимостью комплектующих ----

1) так супер качественные подшипники качения имеют ресурс в 10-20 раз больше ----

2) далее редкоземельные магниты с более высокой плотностью магнитного потока Н52 в разы дороже,чем Н38---

3) толщина пластин из мягкого железа в статоре в дорогих авиамодельных движках всего 0.15мм--0.2мм против дешёвых 0.35мм----

4) кстати зазор между ротором и статором тоже 0.15мм--0.2мм против 0.35мм, что повышает плотность магнитопровода в зазоре, а значит момент и кпд бк электромотора-----

5) применение двух радиальных и одного опорного подшипника в дорогих движках-----

6) магниты не прямоугольные, а по дуге ротора----

7) высокоочищенная медь в проводах с двойной лаковой изоляцией против одного слоя -----

8) вал из качественной закаленной стали ----

9) наличие толщины в торце для крепежа мотора к раме----

10) намотка вручную виток к витку одножильного толстого провода ----

всё это в сумме даёт дорогому качественному мотору больше мощности в 2-3 раза, ресурса в 4-5 раз и кпд на 5%-10% больше!

Проверка работоспособности

Из многолетнего опыта эксплуатации силовой электротехники есть ряд проверочных тестов---- при покупки электромотора простой тест на исправность---

1) при не закороченных обмотках ротор при резком вращении рукой свободно разгоняется, если обнаруживается эффект сопротивления или пластилина, то коротят фазы ---- это брак!

2) проверка на обрыв фазы----закоротить поочередно каждые две фазы----сопротивление вращению или эффект наведенной эдс в режиме тормоз как пластилин должны быть везде одинаковы----если одна фаза разорвана то легкий прокрут---тоже брак!

3) далее проверка тестером на пробой одной из обмоток на корпус электромотора----работать будет на диэлектрической мотораме,но в радиоэфир пойдут крутые фронты импульсов напряжения и тока с закороченной обмотки на корпус---возможна паразитная помеха на радиоприёмники !

4) так как с точки зрения теории электротехники связка регулятор хода и обмотки мотора---это импульсный генератор с выносной реактивной катушкой индуктивности----то силовые фазовые провода до обмоток это излучающие антенны в широком спектаре ----чем короче тем лучше, обычно не более 10 см !

5) силовые провода питания от акку до регулятора хода тоже делать как можно короче----вообще правильно акку располагать рядом с ВМГ и все провода не должны быть в натяг----иначе может зарезаннировать как струна от вибраций и обрыв контакта !

6) обязательно принудительное охлаждение мотора, акку и регуля потоком воздуха ----рекомендуемая температура компонентов под нагрузкой не более + 50 гр С, когда пальцы ещё терпят боль от ожога!

7) желательно подавать напряжение питания на регуль меньше на одну банку,то есть написано 12 --- значит 11 банок липо !

8) все липо сразу отбалансировать при заряде по напруге каждой банки и закатать в тугой жесткий самодельный стеклопластиковый кейс или обложить алюминиевыми пластинами толщиной 0.5мм-1.5 мм и затянуть армированным стеклонитями суперпрочным скотчем ---во избежания вздутия и потери токо-отдачи и емкости+антивандализм на прокол и замятий или сразу покупать акку в защитных кейсах ---типа автомодельные липо в пластиковом или литий-ионики в металлических корпусах !