Вторник, 12.12.2017, 11:27
RC - Мастерская
Главная | Каталог статей | Регистрация | Вход
Меню
Статистика
Главная » Статьи » Обмен опытом » Электрическая силовая установка авиамодели

Электрическая силовая установка авиамодели - Motocalc и его практическое применение

Motocalc, и его практическое применение

Мотокалк - программа, позволяющая производить расчеты электрических мотоустановок, и анализировать полученные результаты.
Сайт программы - www.motocalc.com
Там же можно скачать демонстрационную версию, которую хватит на месяц работы. Далее, придется покупать лицензию. Замечу, что оно стоит того, т.к. цена вполне оправдывает возможности программы, позволяя сэкономить немало денег на тестовых пропеллерах и неудачно подобранных моторах.
Я не ставлю задачу написать полное руководство пользователя - они написаны без меня, и даже частично переведены на русский язык. Я попробую дать краткое изложение процесса работы, и вкратце объяснить, на что следует обратить внимание при расчетах.
Итак....
После установки, программа стартует с так называемого MotoWizzard. Видимо считается, что эта система способна дать рекомендации по мотоустановкам, но на деле логика ее работы устарела лет на 10, и мотосетапы, предлагаемые ей, актуальны разве что для эры коллекторных моторов. Поэтому, самое разумное действие - закрыть его и сразу перейти к модулю расчетов.
Для начала зайдем в "настройки", и выполним необходимые установки. Думаю, тут вопросов возникнуть не должно.

Просим выводить все в метрической системе, кроме размеров воздушных винтов, которые оставляем в дюймах. Данные по атмосфере и температуре можно оставить без внимания. Список данных выводимых в таблицах можно оставить полностью отмеченным. В Other Options можно сразу снять галочку запуска МотоВизарда. Вобщем -можно просто привести ее к виду, как на иллюстрации, и нажать ОК.
 Далее, определям для себя приемлемый диапазон размеров винтов, и заполняем параметры в соответствующем разделе:

 В разделе Gear ratio не указываем ничего - там закладываются передаточные отношения редуктора, которого у нас, как мы договаривались, нет.(если же он есть, скажем, с связке с инраннером - можно туда ввести эти данные, суть расчетов не поменяется)
Вводим диапазон диаметров, и шага винтов, ( Diam - диаметр, и Pitch- шаг) или, если считаем только для винта одного конкретного размера, то заполняем левые поля, а правые оставляем пустым (как пример на иллюстрации - 18х8). Если были заданы несколько размеров винтов - мотокалк даст расчеты отдельно для всех размеров.Размеры нескольких винтов указываются по возрастанию, слева на право, "by" - с каким ступенью в дюймах мы увеличиваем размеры.
В графах P и T-Const задается тип винта и производитель. Например, для винтов АРС - Т. Const равна единице. Далее вводим P-const - тут уже немного сложней и ответственнее. Разворачиваем свиток P-const:

 Видим список типов винтов, отсортированных по производителю, и типу винта.Выбираем нужный тип, и соотношение шага к диаметру (P/D=)Скажем, для для винта 18х8 P/D будет 0,44, то есть лежать в диапазоне 0.0 to 0.5, а для винта 18х10 - соотвественно уже 0.5 to 1.0.
Хочу обратить внимание, что это очень важный параметр, от которого будет зависеть как расчитанная тяга, так и потребляемый ток.Пренебрежение этим - одна из самых распространенных ошибок у начинающих пользователей программы, и как следствие - большие погрешности в расчетах.К сожалению, эти константы не имеют стандартов (они используются только в мотокалке) , и для неизвестного винта (которые отсутствуют в базе программы) очень сложно подобрать верное значение. Возможный путь - визуальное сравнение винта с присутствующими в базе винтами, и выбор похожего аналога по форме лопастей.
Некоторый выбор констант есть на сайте мотокалка.
Если лопастей 3 или более -указываем их количество в графе Num Blades.
Далее переходим к разделу аккумуляторов (Battery).

 Нажав Open, попадем в довольно объемную базу данных по аккумуляторам. Покопавшись в ней, кроме LiPo батарей, там можно обнаружить также А123 (LiFe), которые набирают популярность. При отсутствии нужного аккумулятора просто выбираем его аналог с подходящей емкостью и токоотдачей, я например чаще всего пользуюсь данными Hyperion или Kokam . Далее вводим предполагаемое количество банок в сборке (Series Cells), и при необходимости - количество параллельных включений (скажем, 2 банки 2100мА включенных параллельно, дают нам емкость 4200мА) . Если параллельно включение не используется, то в соответствующей графе указываем единицу. Так же, можно задать диапазон этих значений. Так же, в итоге, будут выданы расчеты для всего указанного диапазона. Как я уже говорил вначале, количество банок будет одним из компромиссов, на которые нам приходится идти.
Следующим этапом будет выбор мотора. Сразу отмечу, что задача эта непростая, и увязывание винтов, напряжений аккумуляторных сборок и мотора - по сути, будет нашим главным компромиссом, искусство поиска которого вырабатывается только с опытом.
Итак, что мы имеем в разделе Motor:

 Поле представляет собой набор параметров мотора, которые могут быть введены вручную для любого мотора, либо выбраны в базе данных (довольно объемной), нажатием на кнопку Open. При вводе уникального мотора, самыми важными параметрами является "Motor Constant" - т.е kV (или rpm/V) , и Resistance - внутреннее сопротивление. Не имея одного из этих параметров - расчет не будет иметь смысла из за полной недостоверности результатов. "No-Load Carrent" (ток холостого хода) - оказывает влияние на результат на уровне погрешности, и без необходимости им можно просто пренебречь, подставив значение около 0,5-1А. Вес мотора (Weight) - нужен только для определения веса самолета и расчета летных данных , точность и ценность которых довольно сомнительная, но об этом я расскажу ниже. Т.к. мы приняли, что используем Бесколлекторные моторы с внешним ротором - ставим галочки на Brushless и Out-runner.
Что бы не пересчитывать огромное количество моторов, стоит подробнее остановиться на способах сужения поля поиска из огромной базы, если у пользователя нет никаких отправных точек для выбора мотора. Конечно, проще и разумнее всего обратиться к статистике, посмотрев kV и мощности моторов, рекомендуемых производителями для аналогичных по классу самолетов, или ориентируясь на позиционирование мотора его производителем. К сожалению, часто рекомендации производителей далеки от оптимальных, особенно часто этим грешат производители бюджетных моделей из юго-восточной азии. Более крупные и известные производители иногда рекомендуют мотоустановку минимального уровня, которой достаточно для уверенного поддержания самолета в воздухе, но не более. Собственно поэтому, даже при четко прописанной рекомендованной комплектации к самолету от его производителя - стоит проверить их с помощью расчетов. Если таки статистика недоступна, попробуем разобраться сами, в каком диапазоне и по каким критериям стоит искать моторы для расчетов. Проще всего определиться максимально допустимыми токами (заявленной мощностью), затем примерно определить диапазон kV, который будет для нас приемлемым.
Чтоб определиться с приемлемыми для нас токами, рассмотрим для начала необходимую мощность, которая нужна для нашего самолета. Есть некоторое значение энерговооруженности , которое выведено эмпирическим путем моделистами всего мира, выражаемое в количестве потребляемых ватт мощности на килограмм веса самолета. Для тренировочных самолетов, копий и полукопий - это значение лежит в пределах 180-200 ватт/кг. Для пилотажных самолетов, 3D и фан-флаев - порядка 300-400 ватт/кг. У электропланеров-парителей (не хотлайнеров) - в диапазоне 150-200 ватт/кг. Для хотлайнеров - измеряется уже в киловаттах на килограмм массы, но это уже частные случаи, которые мы рассматривать не будем. Определив для себя напряжение (или диапазон напряжений) аккумулятороной сборки, мы можем вывести максимальное токопотребление нашей мотоустановки, разделив значение необходимой мощности на напряжение питания мотора (Imax = W / Vbatt). Таким образом, мы существенно сужаем область выбора электромоторов, оставив себе только те, у которых разрешенный ток не ниже вычисленного нами значения, и по возможности находящийся в диапазоне, покрывающим запас в 10-15% . Рассматривать более мощные моторы уже не оправданно, потому как их КПД будет уже ниже, и они будет обладать лишним весом. Так же следует понимать, что максимальный ток, это единственный параметр, ограничивающий использование мотора. Несмотря на рекомендуемое напряжение питания в некоторых описаниях моторов, оно может быть любым. Другое дело, что с повышением напряжения при одном и том же винте, растут и токи. Если поднимать напряжение питания, одновременно уменьшая размеры винта (оставаясь, тем самым, в пределах допустимых токов) - мы можем существенно повышать мощность мотора, по сути, в неограниченных пределах (конечно, если не рассматривать ресурс механических составляющих, таких как подшипники и валы, и свойства магнитов). Другое дело, что в итоге мы выйдем за минимальный предел в размерах винта, которые могут быть использованы. По сути, мощность - это не параметр мотора, а значение, получаемое с помощью нагрузки конкретного мотора конкретным винтом. На одном и том же моторе мы сами регулируем получаемую мощность, варьируя размерности винтов и (или) питающее напряжение (количесвом банок в сборке), пока не упираемся в пределы допустимых токов (что чревато выходом его из строя), или наоборот, в недостаточную загруженность мотора (что попросту неэффективно).
Другое важное ограничение по токам - это токоотдача аккумуляторов, сверх которой мы тоже не должны выходить. Вообще, исходя из приемлемого времени работы мотоустанвки для обычного пилотажного самолета - порядка 7-10 минут - оптимальным максимальным значением тока будет порядок 10-15С (где С - рабочая емкость аккумулятора). Даже при допустимой нагрузке на аккумулятор в 30С, мы получим время полета порядка 3-4 минут и ниже, что не всегда разумно. Напротив, имея токопотребление ниже 10С - стоит задуматься, а нужен ли аккумулятор такой емкости, т.к. емкость батареи напрямую влияет на ее вес (и ее стоимость, кстати), которыми не стоит пренебрегать...
Выбор диапазона kV, в котором будут происходить расчеты - это вопрос личного опыта, и опять же - статистики. Можно конечно расчетами перебрать все значения kV от 100 до 2000, но это займет массу времени. Для упрощения задачи можно исходить из такой таблички:
                                                                                      
Вес самолета Типичное количество банок аккумуляторов Диапазон kV
100-300г.2 банки (7,4в)1000-2000
300-1300г3 банки (11,1в)800-1500
1300-2000г 4-5 банок (14-18в)400-800
2000-3000г6 банок (22в)300-500
3000-6000г8-10 банок (35-40в) 250-350
свыше 6000г10-12 и более банокменее 300
Закономерность примерно такая - чем меньше винт и напряжение питания, тем более высокое kV будет оптимальными.
Теперь нужно заполнить значения в Speed Controller (регулятор оборотов), и при желании - Airframe (об этом ниже).
Параметры регулятора для расчетов особо не важны. Нужно подставить значение максимального тока, которое теоретически может возникнуть, и галочкой указать что он Brushless (т.е. для бесколлекторного мотора).
Airframe - это данные на планер самолета. Теоретически, мотокалк помимо статики способен считать и летные характеристики (т.е. самолет в движении).
Проблема в том, что этот раздел расчетов дает результаты с большими погрешностями, т.к. точно заложить всю аэродинамику самолета в столь небольшой модуль практически не возможно. В принципе, полей там не много, и думаю вопросов и их заполнение возникнуть не должно - при желании можно поэксперементировать. Но по большом счету - нам вполне достаточно статических расчетов...
Итак все поля заполнены - можно нажимать на кнопку Compute Report и смотреть результат...
Если в каком либо разделе был указан диапазон значений (размеров винтов, и/или количество банок аккумуляторов), то мы увидим статические результаты для всех значений:

 Расшифруем интересующие нас столбцы:
Cells - количество банок в сборке
Diam - диаметр винта (в дюймах)
Pitch - шаг винта
Batt amps - токопотребление на аккумуляторе.
Motor volts - напряжение на моторе, с у четом просадки аккумулятора под нарузкой.
Input W - потребляемая мощность (то что принимается за "мощность мотора")
Loss - потери мощности на тепло (потери в КПД)
Mgb out - мощность "на валу"
MotGb Ef % - эффективность мотоустановки (по сути - КПД)
Prop RPM - обороты винта
Thrust - статическая тяга в граммах.
Pspd - скорость потока от винта в м/с
Time - время работы мотоустановки в статике на полном газу (реально полетное время будет в 2-3 раза выше).
Щелкнув на интересующей нас строчке с конкретными исходными по винту и батарее, мы попадаем в более подробный отчет:

Точно такая же таблица появляется сразу после нажатия Compute Report, если мы указываем конкретный винт или батарею, без указания диапазона. Вверху добавляется "слайдер" ручки газа (Trottle), а в таблице появляется столбец AirSpeed.Если у нас правильно введены данные планера, с некоторой условностью (очень приблизительно) мы можем проанализировать работу мотоустановки при движении самолета. Как видно по таблице, с набором скорости самолетом начинают снижаться токи. Первая строка - это теже статические данные (AirSpeed = 0). Регулируя "газ", можно посмотреть соответствующие изменения.
Теперь важно понять, какие приоритеты расставить при анализе.
Сверхзадача - оперируя параметрами мотора, батареи и воздушного винта - получить максимальную статическую тягу и скорость потока, при минимальных токах и тепловых потерях, и при максимальной эффективности (КПД) мотоустановки. Часто возникает ситуация, при которой и тяга вроде бы приемлема, и токи - тоже в разумных пределах. Но стоит посмотреть в раздел Loss или MotGb Ef % и понять, что использование энергии аккумулятора неэффективно, и мы впустую сжигаем драгоценные ампер-часы, возя дополнительный вес из за емкости батареи.. Часто это связано с неэффективными оборотами воздушного винта (скажем, SF-серия раскручена до больших оборотов), иногда - с неудачным подбором мотора. Тут нужно принимать решение, насколько это допустимо для нашего самолета и в конкретной ситуации. Сделав несколько расчетов под разные моторы, количество банок в сборке, и под разные винты в приемлемом диапазоне, мы убедимся, что в любом случае приходиться идти на какой-то компромисс. Либо с весом аккумуляторов, либо с токами, либо с винтом меньшего диаметра, либо с падением КПД - с чем-то приходиться мирится. Идеальной мотоустановки не бывает. Суть искусства подбора мотоустановки - в нахождении этого компромисса. Это дается только практикой и опытом, исходя из конкретного самолета, и задач, которые перед ним ставятся...
В общем, с теоретической частью, можно считать, мы закончили. Теперь можно тратить деньги на комплектующие нашей мотоустановки, которые, будем надеятся, были внимательно изучены в наших "виртуальных" расчетах. Если с винтами и моторами теперь все ясно, то сейчас рассмотрим, какие регуляторы (контроллеры) и аккумуляторы нам следует приобретать.


<< Назад  Вперед >>

Категория: Электрическая силовая установка авиамодели | Добавил: Mactep (19.11.2012)
Просмотров: 2713 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Поиск