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 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 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!

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 ---Кполутона =1.044

масса эд----1пок---2пок---3пок

1) до 10г---66%----69%----72% 

2) до 20г---69%----72%----75%

3) до 40г---72%----75%----79%

4) до 80г---75%----79%----82%

5) до 160г--79%----82%----85%

6) до 320г--82%----85%----88%

7) до 640г--85%----88%----91%

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=(0.32-0.96)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 =3d 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!

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!!!

Пик тока

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 формула от Книжникова ВВ ----

  I = 0.11 (D Коб Kхх)3 (H  КПДэд Uакку)2  Kn Сумах , 

где Kn=(n)0.5 --- для двухлопастного Kn=1,4 --- трёхлопастного Kn=1.73 --- четырёхлопастного Kn=2

для двухлопастного самолётного винта с плосковыпуклым профилем узких лопастей Сумах=1.2 для бк эд 3 поколения----- I = 0.1(D Kхх)3 (H Uакку)2

для двухлопастного коптерного пропа с вогнутовыпуклым профилем широких лопастей Сумах=1.8 ----- I = 0.15(D Kхх)3 (H Uакку)2 ,

тяга винта на уровне моря на стопе эмпирика ВМГ--- Fст = 0.2 Сумах H D Kn (D Kxх U)2 (КПДэд Коб)2

калькулятор расчёта э-ВМГ---- http://drivecalc.de/