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

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 (5--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 10В до 15В 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!

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 среднем 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 = 0,004°С-1, это значит, что их сопротивление увеличится на 4%, 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 спекторе ----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 зарезанировать 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 !