Електрична силова установка авіамоделі – найпростіші розрахунки та практична реалізація.
Motocalc та його практичне застосування.
Мотокалк – програма, що дозволяє проводити розрахунки електричних мотоустановок та аналізувати отримані результати. Сайт програми – www.motocalc.com. Там же можна завантажити демонстраційну версію, яку вистачить на місяць роботи. Далі доведеться купувати ліцензію. Зауважу, що воно варте того, т.к. ціна цілком виправдовує можливості програми, дозволяючи заощадити чимало грошей на тестових пропелерах та невдало підібраних моторах.
Я не ставлю завдання написати повний посібник користувача – вони написані без мене, і навіть частково перекладені українською мовою. Я спробую дати короткий виклад процесу роботи і коротко пояснити, на що слід звернути увагу при розрахунках.
Після встановлення програма стартує з так званого MotoWizzard. Мабуть вважається, що ця система здатна дати рекомендації щодо мотоустановок, але насправді логіка її роботи застаріла років на 10, і мотосетапи, пропоновані їй, актуальні хіба що для ери колекторних моторів. Тому найрозумніша дія – закрити його і відразу перейти до модуля розрахунків.
Для початку зайдемо до «налаштувань», і виконаємо необхідні установки. Думаю, тут питань виникнути не повинно.
Просимо виводити все у метричній системі, крім розмірів повітряних гвинтів, які залишаємо у дюймах. Дані по атмосфері та температурі можна залишити поза увагою. Список даних, що виводяться в таблицяхможна залишити повністю зазначеним. В Other Options можна зняти галочку запуску МотоВізарда. Загалом можна просто привести її до вигляду, як на ілюстрації, і натиснути ОК.
Далі, визначаємо собі прийнятний діапазон розмірів гвинтів, і заповнюємо параметри у відповідному розділі:
У розділі Gear ratio не вказуємо нічого - там закладаються передатні відносини редуктора, якого у нас, як ми домовлялися, немає (якщо він є, скажімо, з зв'язці з інраннером - можна туди ввести ці дані, суть розрахунків не зміниться).
Вводимо діапазон діаметрів, і кроку гвинтів, (Diam – діаметр, і Pitch- крок) або, якщо рахуємо тільки для гвинта одного конкретного розміру, заповнюємо ліві поля, а праві залишаємо порожнім (як приклад на ілюстрації – 18х8). Якщо було задано кілька розмірів гвинтів – мотокалк дасть розрахунки окремо всім розмірів.
Розміри кількох гвинтів вказуються за зростанням, ліворуч праворуч, «by» – з яким щаблем у дюймах ми збільшуємо розміри.
У графах P і T-Const задається тип гвинта та виробник. Наприклад, для гвинтів АРС – Т. Const дорівнює одиниці. Далі вводимо P-const - тут вже трохи складніше та відповідальніше. Розгортаємо сувій P-const:
Бачимо список типів гвинтів, відсортованих за виробником, та типу гвинта. Вибираємо потрібний тип і співвідношення кроку до діаметра (P/D=). Скажімо, для гвинта 18х8 P/D буде 0,44, тобто лежати в діапазоні 0.0 to 0.5, а для гвинта 18х10 відповідно вже 0.5 to 1.0.
Хочу звернути увагу, що це дуже важливий параметр, від якого залежатиме як розрахована тяга, так і струм, що споживається. Нехтування цим – одна з найпоширеніших помилок у початківців користувачів програми, і як наслідок – великі похибки врозрахунках.
На жаль, ці константи не мають стандартів (вони використовуються тільки в мотокалці), і для невідомого гвинта (які відсутні в базі програми) дуже складно підібрати правильне значення. Можливий шлях – візуальне порівняння гвинта з присутніми у базі гвинтами, і вибір схожого аналога формою лопатей.
Деякий вибір констант на сайті мотокалка: motocalc.com
Якщо лопат 3 або більше - вказуємо їх кількість у графі Num Blades.
Далі переходимо до розділу акумуляторів (Battery).
Натиснувши Open, потрапимо до досить об'ємної бази даних по акумуляторах. Покопавшись у ній, крім LiPo батарей, там можна знайти також А123 (LiFe), які набирають популярності. За відсутності потрібного акумулятора просто вибираємо його аналог із відповідною ємністю та струмовіддачею. Я наприклад найчастіше користуюся даними Hyperion або Kokam. Далі вводимо передбачувану кількість банок у складання (Series Cells), і за необхідності - кількість паралельних включень (скажімо, 2 банки 2100мА включених паралельно, дають нам ємність 4200мА). Якщо паралельно увімкнення не використовується, то у відповідній графі вказуємо одиницю. Також можна задати діапазон цих значень. Також, в результаті, будуть видані розрахунки для всього зазначеного діапазону. Як я вже казав спочатку, кількість банок буде одним із компромісів, на які нам доводиться йти.
Наступним етапом буде вибір двигуна. Відразу зазначу, що це завдання непросте, і ув'язування гвинтів, напруг акумуляторних збірок і мотора - по суті, буде нашим головним компромісом, мистецтво пошуку якого виробляється тільки з досвідом.
Отже, що ми маємо в розділі Motor:
Поле є набором параметрів мотора, які можуть бутивведені вручну для будь-якого двигуна, або обрані в базі даних (досить об'ємної), натисканням на кнопку Open. При введенні унікального мотора, найважливішими параметрами є «Motor Constant» - тобто kV (або rpm/V) і Resistance – внутрішній опір. Не маючи одного з цих параметрів – розрахунок не матиме сенсу через повну недостовірність результатів. "No-Load Carrent" (струм холостого ходу) - впливає на результат на рівні похибки, і без необхідності їм можна просто знехтувати, підставивши значення близько 0,5-1А. Вага мотора (Weight) – потрібен тільки для визначення ваги літака та розрахунку льотних даних, точність та цінність яких досить сумнівна, але про це я розповім нижче. Т.к. ми прийняли, що використовуємо безколекторні мотори із зовнішнім ротором - ставимо галочки на Brushless і Out-ranner.
Щоб визначитися з прийнятними нам струмами, розглянемо спочатку необхідну потужність, яка необхідна нашого літака. Є деяке значення енергоозброєності, яке виведено емпіричним шляхом моделістами всього світу, що виражається у кількості споживаних ват потужності на кілограм ваги літака.
Для тренувальних літаків, копій та напівкопій - це значення лежить у межах 180-200 ват/кг. Для пілотажних літаків, 3D та фан-флаїв – близько 300-400 ват/кг. У електропланерів-парителів (не хотлайнерів) - в діапазоні 150-200 ват/кг. Для хотлайнерів – вимірюється вже в кіловатах на кілограм маси, але це вже окремі випадки, які ми розглядати не будемо.
Визначивши собі напругу (або діапазон напруг) акумуляторної збірки, ми можемо вивести максимальне струмоспоживання нашої мотоустановки, розділивши значення необхідної потужності на напругу живлення мотора (Imax = W / Vbatt). Таким чином, ми суттєво звужуємообласть вибору електромоторів, залишивши собі тільки ті, у яких дозволений струм не нижче за обчислене нами значення, і по можливості знаходиться в діапазоні, що покриває запас в 10-15%. Розглядати більш потужні мотори вже не виправдано, тому що їх ККД буде вже нижче, і вони матиме зайву вагу.
Якщо піднімати напругу живлення, одночасно зменшуючи розміри гвинта (залишаючись, тим самим, у межах допустимих струмів) – ми можемо суттєво підвищувати потужність мотора, по суті, в необмежених межах (звісно, якщо не розглядати ресурс механічних складових, таких як підшипники та вали, та властивості магнітів). Інша річ, що в результаті ми вийдемо за мінімальну межу у розмірах гвинта, які можуть бути використані. Власне, потужність – це параметр мотора, а значення, одержуване з допомогою навантаження конкретного мотора конкретним гвинтом. На одному і тому ж моторі ми самі регулюємо одержувану потужність, варіюючи розмірності гвинтів і (або) напругу живлення (кількістю банок у складанні), поки не впираємося в межі допустимих струмів (що загрожує виходом його з ладу), або навпаки, в недостатню завантаженість мотора (що просто неефективно).
Інше важливе обмеження струмів - це струмовіддача акумуляторів, понад яку ми теж не повинні виходити. Взагалі, виходячи з прийнятного часу роботи мотоустановки для звичайного пілотажного літака – 7-10 хвилин – оптимальним максимальним значенням струму буде порядок 10-15С (де С - робоча ємність акумулятора). Навіть при допустимому навантаженні на акумулятор в 30С ми отримаємо час польоту близько 3-4 хвилин і нижче, що не завжди розумно. Навпаки, маючи струмоспоживання нижче 10С - варто замислитись, а чи потрібен акумулятор такої ємності, т.к. ємність батареї безпосередньо впливає на її вагу (і їївартість, до речі), якими не варто нехтувати.
Вибір діапазону kV, в якому відбуватимуться розрахунки – це питання особистого досвіду, і знову ж таки – статистики. Можна, звичайно, розрахунками перебрати всі значення kV від 100 до 2000, але це займе масу часу.
Для спрощення завдання можна виходити з такої таблички:
|
