Vybíráme elektromotor

JAK VYBRAT SPRÁVNÝ ELEKTROMOTOR ?

Výběr a dimenzování elektromotoru

Na trhu je dnes obrovské množství elektromotorů. Není jednoduché se v nich vyznat a ještě obtížnější je zvolit ten pravý pro Váš model. K častým dotazům patří "jak těžký model to utáhne", "jak se to dá srovnat se čtyřstovkou", "jaký to má tah" atd.

Tak jednoduché to bohužel není, tyto dotazy nejsou ani příliš správné.

 Poněkud zjednodušeně řečeno, motor je možno definovat jeho "fyzickou velikostí" a "elektrickou velikostí".

 "Fyzickou velikostí" se zde rozumí rozměry motoru. Bohužel, v jejich udávání není jednotnost. Někteří výrobci udávají "funkční" rozměry motoru: průměr statoru (u oběžek), délku magnetů a počet závitů vinutí na pól. Tato čísla udávají velmi dobře základní elektrické charakteristiky motoru.

Motory Xmotor jsou označovány svými zástavbovými rozměry, což je z hlediska modeláře - stavitele - pravděpodobně trochu vhodnější (celkový průměr, délka bez hřídele).

 Jako základní "elektrické rozměry" motoru je možno považovat následující parametry:

 Maximální proud

Otáčky na Volt bez zátěže

Maximální příkon

Pokud známe a správně chápeme tyto údaje, jsme schopni i správně zvolit motor pro naše účely.

 Poznámka: V našich úvahách musíme předpokládat, že motory jsou provozovány ve stejném režimu a že účinnosti všech motorů je shodná. Jinak bychom se totiž vůbec nikam nedostali. Protože motory si jsou do velké míry konstrukčně podobné a fyzika se nedá obejít, můžeme si toto zjednodušení velmi dobře dovolit.

 1. Maximální proud:

Je dán zejména průřezem vinutí, které se nesmí přehřívat, rozměry magnetů a otáčkami na Volt.

 2. Otáčky na Volt bez zátěže:

Skutečné otáčky motoru jsou o něco menší, než je součin otáček na Volt a napětí baterie. Motor a napětí baterie (počet článků) volíme tak, aby se hřídel otáčela požadovanými otáčkami.

Pokud třeba chceme létat jen na dvojčlánek (velmi lehké halové modely), zvolíme "rychlejší" motor (vyšší otáčky na Volt). Pokud chceme mimořádně vysoký výkon, extrémně třeba pro soutěžní model F3A, použijeme desetičlánek a motor s nízkými otáčkami na Volt. V obou krajních případech jsou ale otáčky vrtule dost podobné.

 Špatně zvolené otáčky:

- motor se točí příliš vysokými otáčkami: je nutno použít vrtuli s malým průměrem (a stoupáním), která má nízkou účinnost. Nebo přidat převodovku.

- motor se točí příliš nízkými otáčkami: můžeme sice zvyšovat průměr vrtule ale brzo narazíme na bariéru maximálního proudu.

 3. Maximální příkon:

Každý stroj na přeměnu energie pracuje s jistou účinností, tedy i naše elektromotory. Pokud předpokládáme účinnost např. 80%, náš elektromotor je

 z 80% stroj na přeměnu elektrické energie

z 20% "vařič"

 Elektromotor musí být rozměrově tak velký (těžký), aby byl schopen vyzářit do svého okolí oněch 20% tepelné energie a jeho teplota se zůstala v přijatelných mezích. Hmotnost motoru je do jisté míry svázána s jeho výkonem. To ale není žádná novinka, větší motor stejné konstrukce má přece větší výkon.

 Tím se ale např. zdůvodňuje, proč jsou "stejnosměrné" motory s feritovými magnety těžší. Mají totiž menší účinnost, takže se musí vyzářit větší množství tepla. Proto musí být motor o stejném výkonu větší a těžší.

Proto se tak těžko odpovídá na otázky typu "jak se to dá srovnat se čtyřstovkou".

 Typický diagram elektromotoru

 Na obrázku je typický diagram elektromotoru, který by měl posloužit k lepšímu pochopení jeho funkce. Žádná magie.

Předpokládáme konstantní napájecí napětí.

Křivka příkonu je přímka, křivka výkonu parabola. Rozdíl mezi příkonem a výkonem jsou tepelné ztráty.

Křivka účinnosti vznikla pouhým podělením velikosti příkonu a výkonu v každém bodě vodorovné osy.

 Na vodorovné ose je velikost dodávaného proudu. Ta se mění zatížením motoru, v našem případě změnou průměru vrtule (otáčky jsou dané použitým motorem). Malá vrtule odebírá malý proud, se zvětšováním průměru vrtule proud roste.

Poznámka pro přesnost: na levém okraji diagramu je nenulový proud.

 Fialovou barvou je znázorněna velikost příkonu, tj. součinu proudu a napětí který je do motoru dodáván. Příkon se při zvětšování zatížení (zvětšování průměru vrtule) nepřetržitě lineárně zvyšuje.

 Modrou barvou je znázorněna velikost výkonu: energie, která je využitelná pro roztočení vrtule. Výkon se až do jisté hranice zvyšuje, po dosáhnutí maxima se snižuje až k nule.

 Žlutou barvou je znázorněna účinnost: poměr výkonu a příkonu. Účinnost má svoje maximum posunuté směrem k menšímu zatížení, pak klesá až do nuly.

 1. Vrchol křivky pro účinnost je v jiném místě, než vrchol křivky pro výkon: proud (zatížení) pro nejlepší účinnost se neshoduje s proudem pro největší výkon !!

 2. Rozdíl mezi příkonem a výkonem (fialová a modrá čára) jsou tepelné ztráty. Při největším proudu je výkon nulový, veškerá energie se mění v teplo. Pokud dá baterie dostatečný proud, motor rychle shoří.

 Důležité závěry:

 1. Při provozování motoru bychom měli chápat, jak funguje. Jinak motor nevyužijeme nebo naopak zničíme.

 2. První důležitý bod je spojen s nejlepší účinností. Motor v tomto bodě NEPODÁVÁ největší sice výkon ale pracuje nejekonomičtěji. Nehřeje se, má nejmenší spotřebu.

 3. Pokud vám nezáleží na nejlepší účinnosti ale na nejvyšším výkonu, můžete motor zatížit víc. Rozumná hranice leží zhruba uprostřed proudu pro nejlepší výkon a bodu pro nejlepší účinnost.

Výkon se zvýší, ovšem za cenu snížení účinnosti. Motor je nutno provozovat s větší opatrností. Pokud chcete z motoru dostat nejvyšší výkon, který může dodat, je to sice možné, ale po velmi krátkou dobu - jen asi cca 10-15 sekund.

 Důležitá poznámka: Jak z předchozího textu vyplývá, motor má smysl provozovat pouze v levé části grafu (mezi levým okrajem grafu) a bodem maximálního výkonu. Proto také všechny grafy v různých programech typu MOTOCALC jsou omezeny pouze na tuto oblast.

 Motor lze zničit během několika sekund pokusem o "provozování" na pravém okraji grafu: stačí nějakým způsobem zamezit roztočení vrtule. Motor je ve zkratu, následky jsou okamžitě zničující.

Také příliš velká vrtule může způsobit přesunutí pracovního bodu v grafu daleko doprava. Doba života motoru záleží na tom, jak moc jste to s průměrem vrtule přehnali.

 Volba vhodného motoru

 Odvíjí se v první řadě od výkonu (resp. příkonu, pokud předpokládáme jistou účinnost). Výpočet není samozřejmě zcela přesný ale poskytne velmi dobré vodítko pro návrh motoru.

 Výkon je dán ve Wattech a je součinem napětí a proudu. Např. 10 V x 10 A = 100 W.

 Poznámka: Napětí je dáno počtem článků, proud je dán zejména průměrem vrtule a jejími otáčkami.

 Vhodná velikost příkonu závisí zejména na hmotnosti modelu a na požadovaném způsobu letu:

 100-140 W na kg ... minimální výkon vhodný pro modely typu slow a park flyer

140-180 W na kg ... modely s malým přebytkem výkonu: trenéry, pomalé makety

180-220 W na kg ... modely pro základní akrobacii, rychlé makety

220-260 W na kg ... modely pro akrobacii, rychlé modely

260-300 W na kg ... modely pro 3D akrobacii, dmychadla

300-400 a více W na kg ... modely pro neomezenou akrobacii

... jedná se ovšem o hrubé odhady (zdroj: www.modelflight.com.au)

 Příklad orientačního výpočtu

Model Super Zoom 4D od firmy Hacker, celková předpokládaná letová hmotnost (včetně baterie) cca 500 gramů. Požaduje dimenzování motoru pro 3D akrobacii.

 Předpokládejme výkon v úrovni minimálně 260 W na kg = modely pro 3D akrobacii:

Příkon je tedy 0,5 kg x 260 W/kg = 130 W

 Volba motoru se odvíjí od volby vrtule. Let je zprostředkován VÝHRADNĚ vrtulí, ničím jiným !!! Informace typu "mám tam motor xx a xx baterek" jsou jistě zajímavé ale v tomto pohledu nejsou primární. Podstatná je volba průměru vrtule a jejích otáček.

 Pro tento typ modelu můžeme zvolit maximální otáčky do cca 10 000 ot/min. Tomu bude odpovídat motor s cca 1000 ot/Volt a napájecím napětím cca 10V - takže baterie LiPol 3S.

 Taková zjednodušená volba vrtule na základě zkušeností většinou dobře vyhoví. Pokud máte speciální požadavky nebo si rádi pohrajete s čísly, můžete použít k volbě vrtule fungující prográmek z našich stránek.

 Na základě tohoto výsledku můžeme zvolit například motor z tabulky Xmotor řady 2830, který nabízí špičkový příkon až 200W.

 Pokud tedy zvolíme baterii LiPo 3S, můžeme počítat s napětím cca 10V.

Protože příkon je součin napětí a výkonu, snadno zjistíme potřebný proud:

 130 W / 10 V = 13 A.

 Tato hodnota je v rámci specifikace motorů Xmotor 2830, jedná se dokonce o proud pro nejlepší účinnost motoru.

 Zbývá zvolit přesný typ motoru v rámci řady 2830. Tady už záleží spíše na citu a individuálních požadavcích. Pro daný model dobře vyhoví typ 2830CA12 s otáčkami 980 ot/V. Velikost proudu bude záviset na průměru vrtule, patrně dobře vyhoví vrtule GWS 9x5. Velikost proudu je třeba změřit, závisí zejména na průměru vrtule a také na jejím typu.

Otáčky vrtule můžeme očekávat v rozmezí cca 8500 - 9000 ot/min.

 Průměr vrtule tedy zvolíme podle povoleného proudového zatížení motoru.

Stoupání vrtule zvolíme podle rychlosti modelu. Protože na rychlost modelu, resp. na její rozsah mohou být odlišné nároky, nezbude než experimentovat.

 Vzhledem k tomu, že známe i velikost proudu, můžeme nyní zvolit i typ a velikost baterie. Pro zatížení proudem 13 A vyhoví baterie DualSky Xpower 1300-3S.

 Je třeba dodat, ze všechny předchozí úvahy platí pro "plný plyn" motoru.

 Poznámka: "Netechniky" snad překvapí, že výpočty nejsou přesné, že leckde píšeme "cca" atd. To je ale v technických výpočtech zcela běžné a jinak to ani nejde. Když ovšem známe řešení s přesností na řekněme 10 - 20% je to už velmi cenná informace. Takový výsledek má už velkou vypovídací hodnotu a můžeme ho dál upřesňovat.

Další alternativou je totiž jen to, že neznáme nic.

 Poznámka: Asi se zdá, že jsme opomenuli "stoupání" vrtule. Není tomu tak.

Stoupání je parametr vrtule, který musí být sladěn s otáčkami a rychlostí letu. Na odebíraný výkon během letu má jen zprostředkovaný vliv.

Při případném měření na zemi (při nulové rychlosti modelu) stoupání vrtule jistý vliv můžete najít ale jednak se nedá dost dobře definovat a jednak se vrtule u modelů obvykle jako ventilátor nepoužívá. Nás zajímají poměry během letu.

 Další možnosti výpočtu

Pokud si chcete s výpočtem pohonné jednotky pohrát trochu víc, máte možnost.

Snad nejjednodušší výpočet motoru a vrtule, který ale opravdu funguje, můžete najít na různých stránkách. Snažíme se pro vás sehnat volné programy

Výpočetní metoda se zakládá na technické zprávě NACA a byla před časem uveřejněna v jednom německém časopise.

 Velmi široké možnosti výpočtu společně s vlastnostmi spousty motorů a vrtulí nabízí programy, které najdete na www.elektromodellflug.de (v angličtině a němčině, zdarma ke stažení).

 Speciální program s databází, která obsahuje parametry motorů Xmotor, najdete na stránkách www.horejsi.cz

 Při řešení můžeme narazit na některé parametry, které je třeba zadat jako vstupní hodnoty ale které předem přesně neznáme. Typickým příkladem je třeba rychlost letu. Není jiná možnost, než tyto vstupní údaje nějak odhadnout. Nemůžeme samozřejmě čekat přesné řešení problému, jedná se ovšem o naprosto běžný technický postup. V první řadě je nutné získat nějaký kvalifikovaný odhad, který právě hrubý výpočet umožní. Tím se vyvarujeme hrubé chyby. Po získání lepší představy je pak možné pohonnou jednotku optimalizovat - jak letovými zkouškami tak případně dalšími výpočty.

Článek byl převzat od p.Hořejšího