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"
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 3вт/г ---
масса эд----1пок---2пок---3пок-------Kv---кол-во банок---С,Ач---рх,А---масса э-ВМГ+акку----Dв,дюйм
нанодрон-зальник до 150г 1) до 10г---66%----68%----70%----до 6000----1sLIPO--------0.35-----5------(15+10)г--------3---------хобби 3) до 15г---67%----69%----71%----до 3600----1s-2sLIPO-----0.5------8------(23+25)г--------4---------хобби 2) до 20г---68%----70%----72%----до 2400----2sLIPO--------1--------12-----(30+50)г--------5---------хобби
4) до 30г---69%----71%----73%----до 1800----3sLIPO--------1.3------15----(45+100)г--------6---------спорт
микродрон-паркфлаер до 1000г 5) до 40г---70%----72%----74%----до 1500---2s-3sLION------4--------20------(55+200)г------7 6) до 60г---71%----73%----75%----до 1200-----3sLION-------5--------25------(80+280)г------8 7) до 80г---72%----74%----76%----до 1000---3s-4sLION------6--------30-----(110+400)г------9
8) до 120г---73%----75%----77%----до 810---4s-5sLIPO------3--------35-----(160+400)г------10--------спорт
минидрон-средние до 3кг и большие авиамодели до 10кг 9) до 160г--74%----76%----78%----до 660----5s-6sLION------15-------40-----(0.2+1.5)кг------12 10)до 240г--75%----77%----79%----до 540----6s-7sLION------20-------50-----(0.3+2.3)кг------13 11)до 320г--76%----78%----80%----до 450----7s-8sLION------30-------60-----(0.4+3)кг--------14
12)до 480г--77%----79%----81%----до 360----8s-9sLIPO------6--------70-----(0.6+1.5)кг------15-16-------спорт
мидидрон-гигантские авиамодели до 30кг 13)до 640г--78%----80%----82%----до 300----9s-10sLION-----24-------80-----(0.8+4)кг--------17-18 14)до 960г--79%----81%----83%----до 240----10s-11sLION----36-------100----(1.2+6)кг--------19-20 15)до 1280г--80%---82%----84%----до 200----11s-12sLION----48-------125----(1.6+8)кг--------21-22
16)до 2000г--81%---83%----85%----до 160----13s-14sLIPO----16-------160----(2.5+6)кг--------23-24--------спорт
Народное Кv(обороты в минуту/вольт)=60Кхх(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 зубъями статора от дополнительного наведенного магнитного поля железом статора силой 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 электродвигателей 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 =(0.6-0.8) 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 тычяс оборотов в минуту. За это время обмотки переключаются около 200 миллионов раз вызывая естественную микровибрацию соседних витков трусищся изоляцией друг о друга,соответственно двойная лаковая изоляция приветствуется и дополнительная соответствующая пропитка обмоток жидким лаком типа цапон или подобными!
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!
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!
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"
