Силовые электроприводы-ликбез

Версия 19:27, 9 сентября 2023

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"

Удельная мощность ЭД

Существует три основных класса редкоземельных магнитов по удельной силе намагничивания Н---
кобальтовые слабые  Н30-32!
неодимовые средние  Н38-40!!
неодимовые сильные  Н50-55!!!

Первое поколение аутрайнеров-(вращение внешнего ротора-стакана) основано на слабых магнитах черного цвета для класса Н30-32 и поэтому продолжительная максимальная потребляемая удельная мощность при среднем обдуве была 4вт/г и кратковременная до 10-15 секунд 6вт/г!

Второе поколение на средних магнитах анодированных металлом серебристого цвета от окисления для Н38-40 уже имело продолжительно 10вт/г и 15вт/г кратковременно!

Третье поколение на сильных магнитах серебристого цвета соответственно для Н50-55----- 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)= 100% Uинд/Uакку!!!

Типичные КПДэд модельной размерности многополюсных аутрайнеров на постоянных магнитах при удельной мощности в 4вт/г---все данные ориентировачные!

масса эд----1пок---2пок---3пок-------Kv----банок,n------С,Ач-----рх,А----э-ВМГ+акку---DхН,дюйм---тяга,Н---обор/сек---Vмах,м/с----режим

детские игрушки полётной массой до 70г
 до 3г------60%----62%----64%----до 20000----1sLIPO-------0.25-----2------(5+7)г---------2**х1------0.35----600--------15--------хобби 
 до 5г------62%----64%----66%----до 15000----1sLIPO-------0.35-----3------(8+9)г---------2.5*х1.5---0.7-----450--------16--------хобби 
 до 7.5г----64%----66%----68%----до 10000----1sLIPO-------0.5------4------(12+13)г-------3*х2-------1-------360--------18--------хобби

нанодрон-зальник до 150г----до Н=2n
1) до 10г---66%----68%----70%----до 4200----2sLIPO-------0.5------5------(15+25)г--------4*х2.5----1.5-----300--------18----------хобби 
3) до 15г---67%----69%----71%----до 3000----2sLIPO-------0.7------8------(23+35)г--------5*х3------2-------220--------18----------хобби    
2) до 20г---68%----70%----72%----до 2400----2sLIPO-------1-------10------(30+50)г--------6*х4------3-------180--------18----------хобби

микродрон-паркфлаер до 1000г----до Н=1.6n

4) до 30г---69%----71%----73%----до 1800----3sLIPO-------1.3------15------(45+100)г------7х4-------5---------200------20----------спорт

5) до 40г---70%----72%----74%----до 1500----3sLIРO-------2--------20------(60+150)г------8х5-------7---------170------21----------хобби
6) до 60г---71%----73%----75%----до 1200----3sLIРO-------2.6------25------(85+200)г------9х6-------8---------140------22----------хобби  
7) до 80г---72%----74%----76%----до 1000----4sLIРO-------3--------30-----(110+300)г------10х6------12--------150------23----------хобби

8) до 120г---73%----75%----77%---до 800-----5sLIPO-------3.2------35-----(160+400)г----(11-10*)х7-----20------150-----27----------спорт

минидрон-средние до 3кг и большие авиамодели до 10кг----до Н=1.25n
9) до 160г--74%----76%----78%----до 660----6sLION------15-------40-----(0.2+1.5)кг----(12-11*)х7------30------170-----30----------профи
10)до 240г--75%----77%----79%----до 540----7sLION------20-------50-----(0.3+2.4)кг----(13-12*)х8------40------160-----32----------профи    
11)до 320г--76%----78%----80%----до 450----8sLION------25-------60-----(0.4+3.4)кг----(14-13*)х9------50------150-----34----------профи
12)до 480г--77%----79%----81%----до 360----9sLION------30-------70-----(0.6+4.5)кг----(16-14*)х10-----60------140-----35----------профи

13)до 640г--78%----80%----82%----до 300----10sLIPO-----7-------80-----(0.8+2)кг-------(18-16*)х10------80-----130-----33----------спорт

мидидрон-гигантские авиамодели до 30кг----до Н=1n         
14)до 960г--79%----81%----83%----до 240----11sLION----40-------90-----(1.2+7)кг-------(20-18*)х11-----100-----120-----33----------профи                                                                
15)до 1280г--80%---82%----84%----до 200----12sLION----50-------100----(1.6+10)кг------(22-20*)х12-----140-----110-----33----------профи
16)до 1920г--81%---83%----85%----до 160----14sLION----60-------130----(2.4+14)кг------(26-24*)х14-----200-----100-----35----------профи 

17)до 2500г--82%---84%----86%----до 130----16sLIРO----20-------170----(3+8)кг---------(28-25*)х16-----280-----90------36----------спорт 

примечание----дана сетка воздушных винтов приближённо с "золотым сечением" Кв=0.6 для двухлопастных пропеллеров-D-----------для трёхлопастных-D*-----для четырёхлопастных-D**

режимы эксплуатации-----"спорт" это весь полёт на полном газу----"профи" это взлёт на полном газу и весь полёт в полгаза (эконом-режим для БПЛА)---"хобби" это смешанный для игр!

Народное Кv(обороты в минуту/вольт)/60=Кхх(гц/в)----оборотистость эд

На практике оборотистость под рабочей нагрузкой Кнаг электромотора уменьшается в 1.1-1.25 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)----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 эд первого поколения на магнитах Н30-Н33 ---- Коб=0.85 для второго поколения Н38-Н40-----Коб=0.9 для третьего поколения Н50-Н55)

  частота вращения ротора под нагрузкой на полном газу в режиме тяги на стопе------fнаг=(КПДэд Коб) U Kxx =(0.5-0.8) U Kxx!

например мотор третьего поколения на хх выдаёт 12 000 оборотов в минуту, а с винтом на полном газу 9 000 об/мин, тогда КПДэму=fнаг/Kоб fхх =9000/(0,9х12000)=0.83=83%!

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 на площадь рабочей поверхности статора постоянна и равна Кпок=(0.32-1.6)вт/мм2 для современных бк моторов, тогда Рмот =Кпок Sстатор=Кпок 3.14 d l

Рмот =d l----первого поколения
Рмот =2d l---второго поколения
Рмот =5d l---третьего поколения

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

Звезда и треугольник

Чудесное решение изменение моментной характерстики мотора к силе тока ---это включение обмоток треугольником или звездой-----при треугольнике суммарная индуктивность падает между фазами и значит растёт оборотистость Ku(рад/сек/вольт)----при звезде индуктивности складываются между фазами и растёт моментность Ki(ньютон х метр/ампер)!

Соотношение Кхх(герц/вольт) треугольник к звезде примерно 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 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 теоритически мотор с Кv 2100 оборотов в мин на вольт с 7 парами магнитов можно запитать 20 вольтами разогнать до 42 000 оборотов минуту!

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 и 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 полгаза ресурс в часах равен массе эд в граммах t(час)=m(грамм)!

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 0.15-0.2мм против дешёвых 0.35мм----

4) кстати зазор между ротором и статором тоже 0.15-0.2мм 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!

Крейсерская мощность эд

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 80% -----так называемый щадящий максимальный ресурс------подшипники слабо нагружены, обмотки и статор почти не греются.

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!

Ртеп/m=Рэл(1-КПДэд)/mэд!

слабый обдув ---это воздушный поток от винта скоростью 7-10м/с типичен для коптеров

средний---15-20м/с для крылатых паркфлаеров

сильный---30-40м/с для больших моделей самолётов

сверхсильный---60-80м/с для гонок и импеллеров

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 200 гр С, вызывая внутренний пробой коротыша между витками -----сопротивление меди в этот момент может увеличиться в 1.5-2 раза !

На пике мощности можно эксплуатировать бк мотор только при сильном обдуве 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! Удельная тепловая мощность рассеивания мотора эквивалентна приращённой температуре Тпр(0.2вт/г=20грС-----0.5вт/г=50грС----1вт/г=100грС-----2вт/г =200грС) ----температура мотора это сумма температур воздуха и теплового приращения Тм=Тв+Тпр при среднем обдуве 15-20м/с----

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

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.

более подробно смотри статью "предел электро ЭМУ"

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 регуля тоже делать как можно короче----вообще правильно акку располагать рядом с ВМГ и все провода не должны быть в натяг----иначе может зарезонировать как струна от вибраций и обрыв !

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 0.5-1.5 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 !

Дросселирование газом

На практике связка электро-вмг, регулятора хода и акку на номинальном напряжении или рекомендуемого производителем электромотора при полном линейном газу принятом за 100% обеспечивает максимум тяги пропеллера и механической мощности на валу!

При 50% процентах газа или в полгаза на обмотки электромотора драйвером эмулируется напряжение в 1.41 раза меньше от номинала и примерно на выходе получается тяга в 2 раза меньше---то есть расход газа напрямую связан с тягой---полгаза-полтяги, а при трети газа или 33% тяга в 3 раза меньше! Это хорошо видно по телеметрии на картинке по видео-онлайн!

Из за специфики работы регулятора хода трехфазного бк эд для авиамоделей по принципу шести шагов, где прямоугольные импульсы питают фазы по интегралу напряжения по времени эмулируя амплитуду питания с крутыми фронтами и бросками тока вместо классического аналогово напряжения синусоидальной формы , то наиболее высокую эффективность связка мотор регуль имеет лишь при полном газу , а вот при малом и среднем положении слишком короткие импульсы не полностью преобразуются в мощность и

кпд электромотора  при дросселировании просаживается на тепловые потери от скважности
в 1.1 раза в пол газа -----в 1.2 раза в треть газа----в 1.3 раза в четверть газа !!!

Выход такой ----

1) использовать для крейсера две трети газа при потери в 1.05 раза,

2) или применять силовой коммутатор на мощных полевых транзисторах включения обмоток с треугольника при старте на звезду при крейсере,

3) или последовательно- параллельное переключение аккумуляторов в батареи !

Ещё есть вариант использования дорогих рх для автомоделей, где уже заложен алгоритм по управлению мощности через размах напряжения правильной синусоидальной формы с датчиками положения магнитопровода по фазам!!!

смотри статью-ликбез "предел электро-ЭМУ"