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!

кпд эд

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

КПДэд=100% Рмех/Рпотр=100% Mw/(UаккуI)= 100% Uинд/Uакку!!!

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

Существует три основных класса редкоземельных магнитов по удельной силе намагничивания Н---кобальтовые слабые Н30-32,неодимовые средние Н38-40,неодимовые сильные Н50-52!!!

удельная мощность ЭД

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 3вт/г и кратковременная до 10-15 секунд 4вт/г!

Второе поколение на средних магнитах анодированных металлом серебристого цвета от окисления для Н38-40 уже имело продолжительно 4.5вт/г и 6вт/г кратковременно!

Третье поколение на сильных магнитах серебристого цвета соответственно для Н50-55----- 7вт/г и 9вт/г!

особенность работы эд в импеллерах---при сильном обдуве внутри корпуса на скорости потока 50-60м/с удел. моща возрастает до 10-13вт/г!

Типичные КПДэд модельной размерности многополюсных аутрайнеров на постоянных магнитах при удельной мощности в 1вт/г следующие---

масса эд----1пок--2пок---3пок

1) до 10г---60%---65% ---70% 

2) до 20г---65%---70%----75%

3) до 40г---70%---75%----80%

4) до 80г---75%---80%---85%

5) до 160г---80%--85%---90%

6) до 320г---85%--90%---92%

На практике под рабочей нагрузкой Кнаг электромотора уменьшается в Коб=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 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)

   fнаг=(КПДэд Коб) U Kxx =0.72 U Kxx!!!

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=(0.32-0.96)вт/мм2 для современных бк моторов , тогда Рмот =Кпок Sстатор=Кпок 3.14 d t

Рмот =d t----первого поколения
Рмот =2d t----второго поколения
Рмот =3d t----третьего поколения

например для бк мотора 2215 первого поколения, где статор диаметром d=22мм и толщиной t=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 и 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) ---

народное Кv(обороты в минуту/вольт)=60Кхх

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 0.2мм против дешёвых 0.35мм----

4) кстати зазор между ротором и статором тоже 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 1.5 раза, ресурса в 4-5 раз и кпд на 5-10% больше!

мощность эд

при загрузки в крейсерском режиме 1 вт/г или 60 вт потребляемой мощи на моторчик массой 60 г мы имеем максимальное кпд в 80% -----так называемый щадящий максимальный ресурс------подшипники слабо нагружены, обмотки и статор почти не греются.

охлождение

Большинство бк электромоторов типа аутрайнер имеют удельную пиковую мощность 4-6 ватт на грамм в течении 10-15 секунд при комнатной температуре------объясняется это тепловой мощностью омических потерь на нагрев обмоток и паразитных токов перемагничевания статора,которую надо рассеивать охлажением 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 паркфлаеров

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

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

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

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-----изоляция выгорает уже при 200 град 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 -20С все 60 секунд!

проверка работоспособности

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

1) при незакороченных обмотках ротор при резком вращении рукой свободно разгоняеться, если обнаруживаеться 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 тестором пробоя одной из обмоток на корпус электромотора----работать будет на диэлектрической мотораме,но в радиоэфир пойдут крутые фронты импульсов напряжения и тока с закорочненой 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 распологать 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 алюминивыми пластинами толщиной 0.5-1.5 мм и затянуть армированым стеклонитями суперпрочным скотчем ---во избежания вздутия и потери токоотдачи и емкости+антивандализм на прокол и замятий или сразу покупать акку в защитных кейсах ---типа автомодельные липо в пластиковом или литийионики 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 эммулируется 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 видеоонлайн!

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 эммулируя амплитуду питания с крутыми фронтами и бросками тока вместо классического аналового 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!!!

пик тока

Так как наведённый тягой момент аэросопротивления 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 формула от Книжникова ВВ ----

  I = 0.16 (КПДэд Коб)3 (D  Kхх)3 (H  Uакку)2  Kn Сумах , 

где Kn=(n/2)0.5 --- для двухлопастного Kn=1 --- трёхлопастного Kn=1.23 --- четырёхлопастного Kn=1.42

для двухлопастного самолётного с плосковыпуклым профилем лопастей Сумах=1.2 ----- I = 0.08(D Kхх)3 (H Uакку)2

для двухлопастного коптерного с вогнутовыпуклым профилем Сумах=1.86 ----- I = 0.16(D Kхх)3 (H Uакку)2 ,

тяга винта на уровне моря на стопе эмпирика ВМГ--- F = 0.16 Сумах H D Kn (D Kxх U)2 (КПДэд Коб)2