Предел электро ЭМУ-ликбез

Версия 22:52, 2 декабря 2023

статья---автор Книжников ВВ

Пиковый режим связки эд, рх и акку!

Иногда из энерго-мото-установки (ЭМУ) состоящей из цепи преобразований энергии типа электрический аккумулятор,регулятор хода и электромотора требуется вытянуть долговременную максимальную мощность без разрушающих последствий для компонентов ----например воздушный бой или гонка на летающем крыле на средние расстояния до 10-15 км "аля формула-1" по видео онлайн или электрический крылатый ракетоплан с вертикальным подъёмом на моторе до полной разрядке акку и потом планирование с высоты в 5-6 км----это режим максимальной потребляемой мощности при полном газу достаточно продолжительное время!

Проводка

Золотое правило силовой электрики ---эмпирически для медных проводов Iмах(А)=10Sсеч(мм2), площадь пайки Iмах(А)=0.6S(мм2), электрический контакт позолоченного разъёма Iмах(А)=dl(мм2)

Особое внимание надо уделять соответствию заявленному току производителем и реальной площади сечения силовых проводов, площади пятака под пайку и самим штекерам силовых электроразъёмов---например если

1)фазовый провод эд в сечении всего 2 мм2 то максимальный продолжительный ток всего 20А!

2)площадь пятака под пайку фазового провода не менее 3х4 мм2, так как удельное сопротивление олова в 6 раз больше меди!

3)диаметр штекера 2мм при длине захода в 10мм!

И никогда не ведитесь на силовой рейтинг акку, когда на маленькой батареи массой 100-150 г припаяны провода с сечением меди в 6-10 мм2-----это типичная фейковая уловка недобросовестного сборщика акку!

Пиковый предел тяги электро-вмг

Для связки воздушного авиамодельного винта с "золотым" соотношением шага к диаметру как Кв=ш/д=0.62 и бесколлекторным электромотором типа аутрайнер всегда есть простая зависимость механической мощности на валу от созданной тяги на стопе-Pмех=(1.4/ро(кг/м3)^0.5(Fст(Н))^1.5/D(м)КПДв=1.3(Fст)^1.5/D

потребляемая мощность э-ВМГ зависит от силы тяги на стопе в степени полтора на уровне моря----Pэл=(1.5чет--1.6трет--1.7втор--1.8пер--2кол)(Fст)^1.5/D

тогда усреднённо Fст=(0.6кол--0.7сам--0.8коп)(Рэл D)^2/3!, где пик мощи Pэл=Uакку Iст=(0.33кол--1пер--2втор--4трет--6чет)(вт/мм2) dстат(мм) sстат(мм)

то соотношение пика тяги на стопе в грамм силы к массе мотора в граммах 17(Кпок)^2/3! смотри статью "силовые электроприводы-ликбез"

например для авиамодели тренера массой 1кг при тяговооруженности Тст=1 или Fст=10Н=1кг силы достаточно электродвигателя первого поколения массой всего 1000г/17=60г типа 2213 на полном газу без перекала!

тяга пропеллера на стопе для э-ВМГ с учётом КПДэд----Fст=(0.05нано--0.06микро--0.07мини--0.08миди) Сулоп n^0.5 D Н (D Uакку Kхх)^2, где Кхх=Kv/60  и n-кол-во лопастей!

пример на графиках реальной э-ВМГ с мотором первого поколения 2208-1100 и ВИШ-Д20см----тяга на стопе (красный) и КПДэд (синий) от шага винта!!!

Пик тока э-ВМГ на стопе

Так как наведённый тягой момент аэро-сопротивления пропеллера максимален на стопе, то и ток и потребная мощность тоже! На стопе при определении максимальной силы тока I(а) в электроцепи для связки бк электромотора Kxх(гц/в), диаметром D(м) u шагом H(м) от напряжения питания U(в) есть фундаментальная формула от Книжникова ВВ ----

  Iст = Iхх + (Fст h Коб Kхх)/КПДв Кред

коэф.понижающего редуктора----- Кред=(1--10)

поступь винта на стопе ------эмпирика h=0.32( H D Cyлоп n)^0.5

внутренняя эффективность винта на стопе -----эмпирика КПДв=0.32(Cyлоп n D/H)^0.5

для самолётных и коптерных винтов----Iст=Квмг (D Кхх)^3 (H Uакку)^2 , где коэф. э-ВМГ с учётом КПДвмг и технических параметров вв и эд

сила тока на стопе для многолопастного самолётного винта --------эмпирика  Iсам=(0.08двух--0.1трёх--1.1четырёх) (D Кхх)^3 (H Uакку)^2 

Эмпирика для паркфлаев с двухлопастной "микро" э-ВМГ, где

1)скоростной многолопастный проп с двояковыпуклым несимметричным профилем Сулоп=1.0 и Кв=(1.4--1.6) и узкими лопастями

2)гоночный проп с тонким плосковыпуклым профилем Сулоп=1.1 и Кв=(1.0--1.2) и нормальными лопастями

3)самолётный проп с толстым плосковыпуклым профилем Сулоп=(1.2--1.3) и Кв=(0.8--0.9) и средней ширины лопастями

4)универсальный пилотажный проп с слабо вогнутовыпуклым профилем Сулоп=(1.4--1.5) и Кв=(0.6--0.7) и средней ширины лопастями

5)коптерный проп с сильно вогнутовыпуклым профилем Сулоп=(1.6--1.7) и Кв=(0.4--0.5) и широкими лопастями

6)вертолётный проп с тонким плосковыпуклым профилем Сулоп=1.2 и Кв=(0.2--0.3) и узкими лопастями

Fст=(0.09гон--0.11сам--0.14пил--0.15коп) D Н (D Uакку Kхх)^2

Iст=(0.08гон--0.09сам--0.1пил--0.13коп) (D Кхх)^3 (H Uакку)^2 

более наглядная интерпретация----- Iст = Fст Кв D Kхх

Предел ЭМУ

Если потребляемую максимальную мощность без вреда для компонентов разделить на суммарную массу бк электромотора, регулятора хода и аккумулятора, то есть массу полной энерго-мото-установки (ЭМУ), то цифра получается всегда 1квт на 1 кг или удельная мощность эму=1квт/кг ----

для моделей 1ватт / грамм при времени максимальной мощности всего в 5- 6 минут или ток не превышает 12-10С для нормальной работы акку ,

минимальная масса для эму мощностью 100 вт равна 100 г при массе бпла в 1кг, а для мотопланера полётной массой в 100кг достаточно Рэму(10квт)=mэму(10кг)-----минимальная удельная стартовая мощность для уверенного взлёта это 100вт на 1 кг полётной массы ла!

Если массу эму принять за 100% то

многолопастный пропеллер фиксированного шага (3--5)%-----1/20

бк мотора с крепёжной рамой (20--25)% --------1/4

регулятора хода с радиатором (5--10)% --------1/10

литьевый акку с проводами (70--65)%----------- 2/3

для увеличения продолжительности полёта нужно увеличивать относительную массу акку и понижать массу вмг, но тогда удельная мощность эму будет менее одного ватта на грамм!

на практике масса аккумулятора типа ЛИПО должна быть не менее двух масс вмг----

mлипо=2mвмг=2(mэд+mрх+mвинт)!!!

например mэд=100г, mрх=40г, mв=10гр----mвмг=100+40+10=150г----mлипо=2х150г=300г

таблица ТТХ современных э-ВМГ

Типичные КПДэд модельной размерности многополюсных аутрайнеров на постоянных магнитах при удельной мощности в (3--5)вт/г---все данные ориентировочные!

масса эд----1пок---2пок---3пок---4пок----Kхх---банок,n---С,Ач---рх,А---э-ВМГ+акку---DхН,дюйм---тяга,Н---обор/сек---Vтеор,м/с---Рэл,вт---КПДпол---режим

детские игрушки полётной массой до 70г
 до 3г------60%----62%----64%----66%----до 250---1sLIPO-----0.25-----3------(5+7)г------2**х1.5------0.5-----500-------18-------9------25%----хобби 
 до 5г------62%----64%----66%----68%----до 200---1sLIPO-----0.35-----4------(8+9)г------2.5*х1.5-----0.75----400-------16-------12-----30%----хобби 
 до 7.5г----64%----66%----68%----70%----до 150---1sLIPO-----0.5------5------(12+13)г----3*х2---------1-------350-------18-------18-----35%----хобби

нанодрон-зальник до 150г----до Н=2nбанок
1) до 10г---66%----68%----70%----72%----до 70----2sLIPO-----0.5------6------(15+25)г----4*х3------2---------280--------20-------40-----43%----хобби 
3) до 15г---67%----69%----71%----73%----до 50----2sLIPO-----0.7------8------(23+35)г----5*х3.5----2.5-------220--------20-------50-----44%----хобби    
2) до 20г---68%----70%----72%----74%----до 40----2sLIPO-----1-------10------(30+50)г----6*х4------3.5-------200--------20-------70-----45%----хобби

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

4) до 30г---69%----71%----73%----75%----до 30----3sLIPO----1.3---- 15------(45+100)г----7х4-------6------- 220-------22-------130-----46%----спорт

5) до 40г---70%----72%----74%----76%----до 25----3sLIРO----2------20------(60+150)г----8х5-------8---------180------23--------170----47%-----хобби
6) до 60г---71%----73%----75%----77%----до 20----3sLIРO----2.6----25------(85+200)г----9х6-------10--------150------23--------230----48%-----хобби  
7) до 80г---72%----74%----76%----78%----до 17----4sLIРO----3------30-----(110+300)г----10х6------13--------160------24--------310----49%-----хобби

8) до 120г---73%----75%----77%---79%----до 14----5sLIPO----3.2----35----(160+400)г---(11--10*)х7---- 20-----155-----28--------560-----50%-----спорт

минидрон-средние до 3кг и большие авиамодели до 10кг----до Н=1.25n
9) до 160г--74%----76%----78%----80%----до 11---6sLION----15-----40-----(0.2+1.5)кг----(12--11*)х7------30------170-----30------900----51%----профи
10)до 240г--75%----77%----79%----81%----до 9----7sLION----20-----50-----(0.3+2.4)кг----(13--12*)х8------40------160-----32------1300---52%----профи    
11)до 320г--76%----78%----80%----82%----до 7.5--8sLION----25-----60-----(0.4+3.4)кг----(14--13*)х9------50------150-----34------1700---53%----профи
12)до 480г--77%----79%----81%----83%----до 6----9sLION----30-----70-----(0.6+4.5)кг----(16--14*)х10-----60------140-----35------2100---54%----профи

13)до 640г--78%----80%----82%----84%----до 5----10sLIPO---7-----80-----(0.8+2)кг------(18--16*)х10------80-----130-----33------2700----55%----спорт

мидидрон-гигантские авиамодели до 30кг----до Н=1n         
14)до 960г--79%----81%----83%----85%---до 4-----11sLION----40----90-----(1.2+7)кг-------(20--18*)х11-----100-----120-----33-----3.3квт---56%----профи                                                                
15)до 1280г--80%---82%----84%----86%---до 3.3---12sLION----50----100----(1.6+10)кг------(22--20*)х12-----140-----110-----33-----4.6квт---57%----профи
16)до 1920г--81%---83%----85%----87%---до 2.7---14sLION----60----130----(2.4+14)кг------(26--24*)х14-----200-----100-----35-----7квт-----58%----профи 

17)до 2500г--82%---84%----86%----88%---до 2.2---16sLIРO----20----170----(3+7)кг---------(28--25*)х16-----280-----90------36-----10квт!---59%----спорт 

примечание----дана сетка пилотажных 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!

Полный КПД э-ВМГ в полёте с учётом всех потерь очень важная функция для БПЛА-----КПДпол = КПДвв х КПДэд х КПДрх х КПДакку