Ogólne zasady doboru silników do napędów elektrycznych w zastosowaniach modelarskich

Oznaczenia silników
Producenci silników elektrycznych stosują różne oznaczenia wielkości silnika za pomocą kodu liczbowego.
Przykład 1 - Oznaczanie silników AXI, PULSO, EMAX, FOXY
 
Np. Emax GT 2215/12 silnik typu Outrunner (z wirującym wirnikiem zewnętrznym)
GT – typoszereg silników
2215 - 22mmx15mm  - wymiary stojana (wewnętrznego)  [średnica x długość]
/12 – liczba zwojów (im liczba mniejsza tym silnik szybciej wiruje)
 
Emax B2030/23 – silnik typu Inrunner (z wirującym wirnikiem wewnętrznym)
2030 - 20mmx30 mm  - wymiary stojana (zewnętrznego)  [średnica x długość]
/23 – liczba zwojów (im liczba mniejsza tym silnik szybciej wiruje)
 
Przykład 2 - Oznaczenie silników RAY,  EMP
 
 
Oznaczenie silnika
B – typ silnika - silniki Inruner (z wirującym wirnikiem wewnętrznym)
C – typ silnika silniki Outrunner (z wirującym wirnikiem zewnętrznym)
xxxx/yy – zzzz
xx – pierwsze dwie cyfry określają  średnice zewnętrzną silnika w [mm]
xx – kolejne dwie cyfry określają długość zewnętrzną silnika [mm]
yy- określają liczbę zwojów (im liczba mniejsza tym silnik szybciej wiruje)
zzzz – określają współczynnik kV [Obr/1V]
 
Dobór wielkości silnika elektrycznego
Do wstępnego doboru silnika elektrycznego można przyjąć, że najszybszym sposobem jest kryterium masy silnika i  w zależności od rodzaju modelu  stosuje się do napędu silniki:
  • samoloty typu Trener – silnik o masie ok. 70-80g/1kg masy modelu
  • samoloty typu Akrobat – silnik o masie ok. 80g-95g/1kg masy modelu
  • samoloty typu 3D– silnik o masie ok. 100g-120g/1kg masy modelu
Dobór odpowiedniej masy silnika jest jedynie pośrednim kryterium doboru mocy silnika. Współczesne modelarskie silniki  3F (trójfazowe) - jeżeli są wykonane z magnesów neodymowych  -posiadają podobną moc  na wale. Oczywiście występują różnice – każdy producent stara się swoimi rozwiązaniami konstrukcyjnymi  zdobyć przewagę nad konkurencją. Nie mniej podane wskaźniki  pomagają dobrać klasę silnika do modelu samolotu, natomiast nie wyczerpują zagadnienia.
 
Dobór współczynnika KV napędu elektrycznego.
Przy wyborze współczynnika KV należy pamiętać o ogólnej zależności, że:
  • silniki o niższych współczynnikach KV (posiadające większa liczbę zwojów) posiadają wyższą sprawność elektryczną. Mając do wyboru kilka typów silników o identycznej masie należy wybrać silnik o niższej wartości KV. Silnik ten będzie współpracował z większym śmigłem (tj. śmigłem o większej sprawności) i będzie generował większa siłę ciągu.
  • Wybierając niskie wartości współczynników KV należy świadomie dobrać akumulator, a konkretnie napięcie [V] liczbę cel  [S] pakietu. Akumulator o wyższym napięciu zawsze będzie mniej obciążony niż jego odpowiednik o napięciu niższym.

Dobór pakietu napędowego -
akumulatorów Li-Pol
  1. Dobieramy napięcie V akumulatora napędowego  (np. 3S - 11,1V) tak aby odpowiadało napięciu wymaganemu dla wybranego silnika
  2. Określamy oczekiwany czas pracy akumulatora – np. 8 min
  3. Pomijamy  maksymalną, dopuszczalną masę akumulatora (jako nieistotny parametr)
  4. Określamy – analizując dane techniczne np. silnika napędowego – wymagane maksymalne natężenie  prądu elektrycznego (np. 50A) i średnie natężenie prądu elektrycznego (do obliczeń przyjmujemy 30%- 40% - czyli 15A-20A prądu znamionowego wybranego silnika dla wybranego napięcia 3S -11,1V)
  5. Obliczamy, pamiętając, że mamy do dyspozycji (użytkowo) ok. 90% pojemności znamionowej akumulatora (zbyt głębokie rozładowanie powoduje bardzo szybką utratę pojemności akumulatora):
a)       (15A x 8min/60min)/0,9 = 2,222 Ah = 2222mAh
b)       (20A x 8min/60)/09= 2,963 Ah = 2963 mAh
Z powyższych obliczeń wynika, ze możemy dobrać pakiet 2250mAh 3S oraz 3000mAh 3S
  1. Sprawdzamy minimalną wymaganą klasę akumulatorów dla prądu maksymalnego:
50A/2,25Ah=22C, czyli akumulator klasy 25C-35C spełnia wymagania

Przeliczenie pojemności akumulatora w zależności od liczby cel [S]
a)      pakiet podstawowy 3S - 2250 mAh
b)      pakiet alternatywny 4S -  (2250 x 3S)/4S = 1688 mAh (czyli 1800 mAh 4S)
Należy pamiętać, że wybierając wyższe napięcie pakietu należy odpowiednio zmniejszyć jego pojemność. W przeciwnym przypadku będzie istotnie wzrastała masa akumulatora i ciężar modelu.
Należy dobierać najwyższe możliwe klasy C – czyli najwyższe możliwe wydajności prądowe  akumulatora - co zapewnia praktycznie stałe napięcie zasilające oraz niską temperaturę pracy akumulatora. Stałe napięcie podawane przez akumulator zapewnia komfort użytkowania (latania, jeżdżenia, pływania, a niska temperatura pracy zdecydowanie przedłuża trwałość akumulatorów Li-pol.
 
Dobór regulatora
Regulator silnika dobierać zawsze na wartość napięcia akumulatora napędowego oraz na najwyższe dopuszczalne natężenie prądu w wybranym silniku.
Przykład: dla silnika o maksymalnym poborze prądu 50A dobieramy regulator o prądzie znamionowym 60A. Gdyby maksymalny pobór prądu przez silnik był określony na 60A to zawsze należy wybrać regulator następny większy czyli 80A.
Powyższa zasada dotyczy użytkowania modeli w sposób rekreacyjny.
Przy zastosowaniach zawodniczych, bardzo agresywnej akrobacji lub długotrwałych lotach z maksymalna mocą silnika należy zastosować mnożnik bezpieczeństwa na poziomie 1,5 do 1,8.Czyli dla silnika 50A należy dobrać regulator 50A x 1,5 = 75A lub 50A x 1,8 = 90A.
W każdym przypadku należy zapewnić chłodzenie regulatora. Regulatory mają wbudowane zabezpieczenia termiczne i po osiągnięciu 100oC – 110oC ograniczają moc lub odłączają silnik.  Zapewnienie dobrego chłodzenia jest bardzo ważne. Znane sa przypadki przegrzania i spalenia regulatora w locie modelu. Poza utrata napędu można także utracić zasilanie odbiornika i serwomechanizmów – czyli utrącić jakąkolwiek kontrolę nad modelem.. Należy zawsze pamiętać o skutkach wynikających z braku sterowania. Rozbicie takiego niesterowalnego modelu (bez innych kolizji) jest najszczęśliwszym rozwiązaniem.

Dobór śmigła
W każdym przypadku należy sprawdzić w instrukcji obsługi wybranego silnika zalecane dla określonej liczby cel [S] śmigła. Próby rozpoczynać od śmigła najmniej obciążającego silnik. Po każdym locie należy sprawdzić temperaturę silnika oraz temperaturę pakietu zasilającego.
  • Zastosowanie śmigła o mniejszej średnicy i większym skoku, skutkuje większą prędkością modelu.
  • Zastosowanie śmigła o większej średnicy i mniejszym skoku, skutkuje niższą prędkością modelu
Silnik może być ciepły (do ok. 50oC) nie powinien być gorący (powyżej ok. 50oC).  Nawet przy bardzo gorącym silniku nie ma ryzyka jego spalenia, ale występują niepotrzebne straty energii w postaci wydzielania się ciepła. Należy zmienić śmigło na „lżejsze” lub zastosować mocniejszy, mniej grzejący się silnik.
Godnym polecenia jest wykonanie pomiarów napędu wpinając watomierz (np. WATT METER) miedzy pakiet, a regulator. Wówczas można bardzo precyzyjnie dobrać śmigło, które nie przeciąży silnika elektrycznego i zapewni możliwie wysoką sprawność napędu.

Lipiec,  2013 (JN)