Форум » Вопросы проектирования » Раскрутка ротора электродвигателем. » Ответить

Раскрутка ротора электродвигателем.

Alexey: Здравствуйте, уважаемые! Буквально вчера возникла у меня идея раскрутки ротора шаговым двигателем. Выложил её на форуме АЭА, но конструктивного диалога там не получилось. Сам я только мечтаю об автожире, поэтому относительно них имею только теоретические знания. Может здесь кому-то интересна такая идея привода? С уважением, Алексей.

Ответов - 20

AcroBatMan: Добро пожаловать на форум! Чтобы оценить привлекательность идеи, надо, видимо, собрать вместе ее плюсы и минусы, после чего сравнить их по совокупности с уже имеющимися вариантами предварительной раскрутки. Чтобы менять проверенное на что-то новое, это новое должно иметь понятные преимущества перед проверенными вариантами. Попробуйте для себя понять и аккуратно сформулировать - для других - возможные плюсы и минусы вашего предложения. Тогда будет, что обсуждать

Alexey: Начнем с того, что для шаговых двигателей (ШД) неприемлемы такие понятия, как максимальная скорость и мощность. Основными параметрами ШД являются прежде всего крутящий момент, потребляемая сила тока на фазу, напряжение питания, вес, максимальное число обрабатываемых шагов в секунду и шаг в градусах - это необходимые параметры для выполнения нашей задачи. Для управления ШД будет необходим контроллер с обратной связью. Теперь о плюсах и минусах, касательно нашей задачи: + шаговый двигатель развивает максимальный момент в режиме останова, в случае если обмотки двигателя запитаны; +хорошая надежность двигателя, обусловленная отсутствием щеток, при этом срок службы двигателя ограничивается только лишь сроком службы подшипников, а так же защищенность двигателя от атмосферных воздействий; +работа в широком диапазоне скоростей, т.к. скорость напрямую зависит от количества входных импульсов; -шаговый двигатель обладает явлением резонанса; -возможен вариант выпадения двигателя из синхронизации с последующей потерей информации о положении, при работе цепи обратной связи (зависит от применяемого контроллера); -при стандартных схемах подключения количество потребляемой энергии не уменьшается при отсутствии нагрузки; -низкая удельная мощность шагового привода; -для обеспечения эффективного управления шаговым двигателем требуется сложная схема управления. Начнем с того, что на сегодня самым распространенным приводом раскрутки ротора является стартер легкового автомобиля. Стартер создает крутящий момент 140 кгс/см при токе потребления 500А и напряжением питания 12В. Стартер раскручивает ротор до 120-150 об/мин. Вес стартера примерно 5 кг. Для такой раскрутки необходимо специальное устройство плавного пуска Софт-стартер, иначе можно повредить ротор или сжечь стартер(хотя это малая из бед ). Вдобавок ко всему для такого пуска необходим мощный источник питания. Современные ШД, так называемые, Гибридные шаговые двигатели, могут работать на бОльших частотах и с бОльшим сохранением крутящего момента. За рубежом, например ШД уже с успехом используют для управления промышленными вентиляторами. Итак, почему шаговые двигатели именно для раскрутки. Во-первых у ШД малое потребление тока, т.е., его можно запитать непосредственно от бортовой электросистемы. Во-вторых сильный крутящий момент во время старта, далее с увеличением частоты он снижается, но это зависит больше от контроллера,т.е., контроллером можно увеличить крутящий момент путем кратковременных увеличений силы тока на фазу. В-третих огромный выбор ШД различных модификаций и параметров, а так же устройств управления к ним. В-четвертых вес: при весе 5 кг ШД создает крутящий момент 93 кгс/см. вес контроллера 1-2кг. С уважением, Алексей.

afpf: Можно привести какую-нибудь конкретную модель шагового двигателя, подходящего, по вашему мнению, на роль двигателя раскрутки? Вы говорите, что к ШД неприменимо понятие максимальной мощности, но пишите, что у шагового двигателя низкая удельная мощность. Почему в более-менее мощных приводах (ок, в приводах с высоким крутящим моментом и скоростями, те же станки с чпу, кроме совсем простеньких) используют не ШД а серводвигатели (где контроллер в десятки раз дороже контроллера шд)? На подобные вопросы ответа на reaa не было, поэтому и возникло недопонимание :-)

Alexey: afpf пишет: Можно привести какую-нибудь конкретную модель шагового двигателя, подходящего, по вашему мнению, на роль двигателя раскрутки? 85CSTH450C-012 afpf пишет: Вы говорите, что к ШД неприменимо понятие максимальной мощности, но пишите, что у шагового двигателя низкая удельная мощность. Дело в том, что мощность шагового двигателя, вернее системы ШД+устройство управления, можно рассчитать если будут известны необходимые параметры работы ШД в составе системы и то примерно. Кстати эл.двигатели с высокой удельной мощностью менее надежны. afpf пишет: Почему в более-менее мощных приводах (ок, в приводах с высоким крутящим моментом и скоростями, те же станки с чпу, кроме совсем простеньких) используют не ШД а серводвигатели (где контроллер в десятки раз дороже контроллера шд)? Это связано с необходимостью бОльшей точности перемещений с учетом веса, люфтов перемещаемых узлов и агрегатов станка. ШД, обычно, используются для управления малыми станками, т.к., совместно с ШД датчики обратной связи используются очень редко.

Alexey: Вот нашел подходящий программируемый контроллер для управления ШД Контроллер шагового двигателя OSM-40R-BL там же есть еще один, но по-дороже Контроллер шагового двигателя OSM-40RA-BL

AcroBatMan: Начнем с того, что на сегодня самым распространенным приводом раскрутки ротора является стартер легкового автомобиля. Это заблуждение. Наиболее распространенными сейчас являются механические раскрутки - карданная и гибкий вал. Стартерная является самой простой с точки зрения реализации самодельщиком, но она же и наименее эффективная. Во-первых у ШД малое потребление тока, т.е., его можно запитать непосредственно от бортовой электросистемы. Это уже не заблуждение, а ошибка. Она у вас, в принципе, системная, - вы изначально приняли за аксиому то, что для эффективной раскрутки важен крутьмомент. А наиболее важной является располагаемая мощность, т.к. потребная для вращения ротора мощность растет в кубе к росту оборотов (из-за нелинейного увеличения аэродинамического сопротивления с ростом скорости вращения ротора). Для справки: вращение ротора DW 28 футов на оборотах 200 об/мин требует примерно 4.5 кВт. Таких бортсетей на легких летательных аппаратах не бывает даже близко. Стал быть, придется возить запас энергии в аккумуляторе. Тут появляется второй по важности параметр - совершаемая за цикл раскрутки работа. Посчитайте, какой запас энергии надо иметь, чтобы, например, за 30 секунд раскрутить тот же DW28 до 200 об/мин. Если посчитаете правильно, то с удивлением увидите, что возить придется танковый аккумулятор. Потому электрические раскрутки на сегодняшний день и не вызывают практического интереса у тех, кому не все равно, сколько крутит его раскрутка. Вызывать его они станут чз несколько лет, когда электромашины и аккумуляторы с хорошей весовой отдачей станут стоить разумные деньги. А пока практиков гораздо больше устраивает механика.

Alexey: Вопрос к владельцам автожиров. Кто может измерить необходимый момент силы для раскрутки ротора относительно оси ротора?

AcroBatMan: Его нет большой необходимости мерять, т.к. он считается из практических цифр, хотя бы отсюда: Для справки: вращение ротора DW 28 футов на оборотах 200 об/мин требует примерно 4.5 кВт. Вам стоит хотя бы пояснить публике, с какой целью интересуетесь. Если вы собираетесь что-то строить - вас должны интересовать параметры роторов вполне определенного калибра. Если интерес чисто теоретический - надо просто почитать лит-ру, в которой есть и расчеты энергетики роторов, а не гонять практиков мерять параметры ради вашего любопытства

questioner: Если не возражаете против моих 5 копеек (при первом расчете были допущены ошибки, они не удалены, а зачеркнуты и исправлены): В данный момент все больше углубляюсь в изучение потенциальных возможностей электропривода для авиации с учетом реальных, актуальных времени возможностей, в т.ч. для раскрутки ротора автожира. Позволю себе сделать прикидочный расчет прямо здесь, в надежде, что если я что-то упущу, более опытные камрады непременно меня поправят. В расчете использовал коэффициенты, расчет которых могу подкрепить ссылками на конкретные товары, имеющиеся в свободной продаже. Для определения веса в первую очередь определим потребную энергоемкость и мощность установки: Мощность примем 5 кВт (т.к. со слов ABM нужно 4.5) По данным англоязычного форума вес ротора DW 28' в сборе с втулкой около 32 кг. Для пущей уверенности примем 35 кг. Момент инерции рассчитал в солиде, построив ротор в виде одной твердотельной пластины длиной 8.5 м (думаю момент инерции реального ротора должен быть поменьше, т.к. значительная масса в реальности сосредоточена в центре) Расчетный момент инерции - 785 кг*м2 = 80 Н*м^2 во-первых в ньютоны неправильно перевел, во-вторых в системе СИ момент инерции в кг*м2 и ничего переводить не нужно было. Отсюда дальнейшие ошибки, которые тоже исправлены. Разделим процесс на два этапа - разгон до 200 об/мин и поддержание этих оборотов в течении 30 сек (1/120 часа) С поддержанием все просто (спасибо ABM за эмпирические данные): (1/120)ч * 4,5 кВт = 0,0375 кВт*ч. На поддержание вращения ротора со скоростью 200 об/мин в течении 30 сек необходимо 0,038 кВт*ч энергии С раскруткой посложнее, но с огрублением в бОльшую сторону можно быть вполне уверенным, что значение точно не будет меньше потребного. Кинетическая энергия тела с моментом инерции 80 Н*м^2 785 кг*м2 вращающегося 200 об/мин (3,33 об/с): (80*(2*3.14*3,33)^2)/2= 20510 Дж = 0,0057 кВт*ч (785*(2*3.14*3,33)2)/2= 343303 Дж = 0,095 кВт*ч => по закону сохранения энергии на преодоление инерции при раскрутке с 0 оборотов до 200 трэбэ 0,095 кВт*ч. При раскрутке, кроме сил инерции на ротор действуют силы трения в подшипниках и сопротивления воздуха. Рассчитать их сложно, но мы знаем, что на 200 об/мин суммарная мощность этих сил около 4,5 кВт, если представить что эти силы нарастают линейно, то средняя мощность на сопротивление на период раскрутки будет 4,5/2 = 2,25 кВт Осталось посчитать время раскрутки. Наш привод располагает 5 кВт-ами отнимаем 2.25 кВт на трение и остается 2,75 кВт на преодоление инерции. С этой мощностью необходимая кинетическая энергия (читай обороты) наберется за: 0,0057 кВт*ч / 2,25 кВт = 0,002533 часов (9,1 с) 0,095 кВт*ч / 2,25 кВт = 0,042 часов (152 с) за это время на трение потратится 0,002533*2,75 = 0,007 кВт*ч 0,042*2,75 = 0,116 кВт*ч энергии. Суммарно на раскрутку 0,007 + 0,0057 = 0,0127 кВт*ч 0,095+0,116 = 0,211 кВт*ч прибавляем энергию на вращение в течении 1 минуты 0,075 кВт*ч 30 сек 0,038 кВт*ч : 0,0127 + 0,075 = 0,0877 кВт*ч 0,211 + 0,038 = 0,249 ~ 0,25 кВт*ч - потребная энергия без учета КПД КПД современного бесколлекторного двигателя 0,9, контроллера 0,95, общий КПД электропривода = 0,86 Отсюда требуемая емкость аккумулятора 0,25/0,86 = 0,29 ~ 0,3 кВт*ч __________________ Теперь по массе: Вот доступные для приобретения аккумуляторы https://hobbyking.com/ru_ru/multistar-high-capacity-6s-20000mah-multi-rotor-lipo-pack.html Показатели: цена : 22500 руб/кВт*ч масса: 5,5 кг/кВт*ч мощность: 10 кВт/кВт*ч Узкое место аккумулятора - мощность от нее и будем плясать . Аккумулятор, способный выдать 5 кВт мощности должен иметь емкость как минимум 0,5 кВт/ч. Его вес будет 5,5*0,5 = 2,25 кг !!! и его мощности хватит на 0,5/0,3 = 1,7 раскруток (нужно подбирать конкретный аккум, возможно емкостью на 2-3 раскрутки) Вес современного бесколлекторного двигателя 0,5 - 0,75 кг/кВт пруф берем большее, получаем мотор 5*0,75 = 3,75 кг Силовой контроллер на 6 кВт весит 0.2 кг пруф Итого АКБ+контроллер+двигатель = 2,25+3,75+0,2 = 6,2 кг на всю систему! При этом запас емкости аккумулятора почти 2 кратный ! Можно сколько угодно ругать это решение, но куда деться от цифр? Тем более такая раскрутка практически вечная, а если делать ротор двигателя единым целым со втулкой то трущихся деталей не будет вовсе. АВМ, на ваш суд. Я старался быть объекивным. ___________ Извиняюсь за грубую ошибку вначале расчета

AcroBatMan: questioner пишет: 785 кг*м^2 = 80 Н*м^2 Ой! А я всегда считал, что 1 кг это about 9.8 Н... questioner пишет: Я старался быть объективным. Увеличение потребной мощности раскрутки с ростом оборотов ротора происходит нелинейно. Она растет в кубе к росту оборотов. Если посчитать аккуратно, то на оборотах 200 об/мин в штиль полное сопротивление ротора DW28 составит эти самые 4.5 кВт. Растет оно, как уже написано, нелинейно, и приращение оборотов тоже происходит нелинейно. Приближенно можно принять, что аэродинамическое сопротивление начинается со скорости элемента лопасти на радиусе 0.7-0.8 около 4-5 м/сек, т.е. с оборотов... ну, сами посчитаете =) Крутить ротор по достижении 200 об/мин в течение еще целой минуты нет никакой нужды. Время раскрутки DW28 до 200 об/мин при мощности раскрутки 4.5 кВт - из практики - порядка 45-60 секунд.

questioner: AcroBatMan пишет: Ой! А я всегда считал, что 1 кг это about 9.8 Н... В этом вы правы, но главная ошибка еще хуже! я нафига начал момент инерции, посчитанный в системе СИ переводить в другие единицы? Как вообще могло мне прийти в голову массу переводить в Ньютоны? да еще и перевел неправильно Извиняюсь - все исправлено, перечитайте пожалуйста пост. AcroBatMan пишет: Увеличение потребной мощности раскрутки с ростом оборотов ротора происходит нелинейно. Она растет в кубе к росту оборотов. Я знаю, но если принять, что линейно, то получим бОльшее значение потребной мощности, чем нужно в реале. Я считаю с запасом, поэтому и не стал извращаться и прикинул грубо с грубостью в бОльшую сторону. Вся ошибка (19 раскруток ) получилась из-за неверного момента инерции. AcroBatMan пишет: Время раскрутки DW28 до 200 об/мин при мощности раскрутки 4.5 кВт - из практики - порядка 45-60 секунд. при перерасчете у меня вышло почти 2 минуты видимо потому, что принял линейное нарастание сопротивления и явно завысил момент инерции (при повторном расчете естественно). Ну пусть будет двухкратный запас, даже с ним цифры вполне приемлемые.

AcroBatMan: Не, там у вас еще несколько ошибок есть, но время позднее, завтра напишу. Вообще, исходное ошибочное допущение у вас типовое: вы почему-то подумали, что до вас никто в мировом АЖ-строении не додумался попробовать и посчитать эти раскрутки бесколлекторным движком. По честной логике, если бы в реальности все было так хорошо, как в ваших расчетах, все бы уже давно летали с такими раскрутками. А этого нет. Вопрос: почуму? Ответ простой: потому, что на деле там все намного хуже. Завтра напишу, почуму, если сами не найдете, где засады ;) Маленькая подсказка: забейте на Квт-часы, посмотрите на все через Амперы и почитайте, на каком разрядном токе какую часть номинальной мощности отдают хорошие батареи. И выкиньте из своих расчетов вращение ротора после достижения нужных оборотов - вы, наверное, на АЖ ни разу не летали, иначе понимали бы, что по достижении нужных оборотов АЖ просто начинает разбег, а раскрутка отключается.

questioner: Нет, не летали бы. Мощные транзисторы стали достаточно мощными и недорогими совсем недавно (последние 3 года), с аккумами - та же история. Кроме того мало кто из энтузиастов-автожиростроителей захотел бы взяться за разработку собственного контроллера и двигателя, а готовые только начали появляться. Неодимовые магниты стали дешевыми тоже в последнюю пятилетку. Поверьте, в течении следующих 5 лет все инженеры "распробуют" эту технологию, а пока имхо сдерживает лишь такая аргументация: если бы в реальности все было так хорошо, как в ваших расчетах, все бы уже давно летали с такими раскрутками Если по этой дорожке идти, то выходит все уже давно придумано и мы на вершине технологического развития. Но давайте не выходить за рамки логики и говорить предметно. Жду замечаний, буду лишь рад увидеть ошибку, если она есть.

iberic: questioner пишет: Итого АКБ+контроллер+двигатель = 2,25+3,75+0,2 = 6,2 кг на всю систему! А еще провода толстенные добавят весу. 6кг как бы многовато за две неполных раскрутки. И потом аккумулятор - если заряжать в полете , нужно мудрить с зарядкой и балансирами. А если не заряжать в полете, рискуем сесть без возможности взлететь. Механика с таким весом вне конкуренции, пока, по крайней мере.

AcroBatMan: questioner пишет: в течении следующих 5 лет все инженеры "распробуют" эту технологию А я еще 5-6 лет назад писал, что чз 10 лет электрораскрутка станет преобладающей. Это произойдет, когда электромашины нужной удельной мощности и аккумуляторы с нужными параметрами станут доступны по цене. Пока еще не стали. Что касается реализации эффективной электрораскрутки на сегодня: 5 лет назад мне довелось полетать на Кипре на первом АЖ Николаса Караолидеса (Aviomania). Там стояла бесколлекторная раскрутка, настолько хилая, что даже DW25 крутила она только до 120 об/мин. Вот так это выглядело: Николас - весьма продуктивный и въедливый инженер, постоянно ищущий возможности улучшения решений. Хорошей эффективной раскрутки у него до сих пор нет. К чему это я? В нашем деле часто можно найти правильные ответы, если искать их не по формулам, а косвенно. Как в этом случае: иметь такую раскрутку хотели многие, при этом упомянутые вами 3 года относительной доступности движков и акумуляторов - срок довольно большой. Если бы эффективное решение существовало, его бы уже нашли, поскольку такими раскрутками за бугром активно занимаются десятки опытных механизаторов. Не нашли. Маловероятно, что теоретик-одиночка без опыта окажется сообразительнее их вместе взятых. Ну, просто, скромнее надо к себе относиться =) А так, на перспективу,- да, несомненно, чз несколько лет электрораскрутка станет преобладающей. Я, напр., рассчитываю начать ей заниматься года чз 2-3. Но не сейчас. questioner пишет: Отсюда требуемая емкость аккумулятора 0,25/0,86 = 0,29 ~ 0,3 кВт*ч Это, наверное, ключевая неточность. Это не требуемая емкость батареи, а требуемый запас энергии в ней, который придется потратить на одну раскрутку. Что совсем не одно и то же. Почитайте, например, тут, какой процент емкости на каких токах можно взять от аккумулятора. Там в ваших построениях есть еще шероховатости, но основное выглядит так: эта раскрутка на сегодня один хрен получится раза в 2-3 (в комплекте) тяжелее и примерно на порядок дороже, чем механическая. Вот на этом, собсно, интерес к ней и кончается. Пока. А там есть еще один неучтенный параметр - цена одного цикла раскрутки. С учетом живучести аккумуляторов она тоже получится примерно на порядок (скорее, на два) выше, чем у механики. В общем, если вы дойдете до практических опытов, мы будем это горячо приветствовать. Как в старом анекдоте, диалог между военным заказчиком и учеными-исполнителями: - Вы прибор сделали? - Сделали. - Работает? - В принципе, работает. - А нам не надо в принципе. Нам надо в корпусе.

questioner: iberic пишет: А еще провода толстенные добавят весу. на таких токах длинные провода противопоказаны, акб нужно ставить непосредственно у двигателя. за две неполных раскрутки как минимум 3, т.к. потери на трение при разгоне явно завышены. Добавить батарею всегда можно (~1 кг на 1 раскрутку) нужно мудрить с зарядкой и балансирами не совсем понятно, чего там мудрить, и зарядка и балансиры вещи доступные, легкие и недорогие. Механика с таким весом вне конкуренции, пока, по крайней мере. С этим не поспоришь, так и есть. Просто считаю, что альтернативные варианты обсудить нужно, тем более, что картина на сегодня явно отличается от той, что была даже 5 лет назад. Как ни крути, а преимущества перед механикой есть в первую очередь по ресурсу. Меня в электрораскрутке привлекает также гибкость и настраиваемость. Мне вот интересно, а если ротор до 250 мин-1 раскрутить какой разбег будет у аппарата? На каких оборотах идет отрыв от земли? Электродвигатель имеющий 5 кВт в номинале запросто 30 секунд поработает на 8 кВт без ущерба для обмоток и магнитов.

questioner: AcroBatMan Вопрос о принятии решения на основании косвенных предположений озвученного вами вида, скорее философской тематики. Предлагаю не обсуждать его здесь, хотя если в другой ветке в рамках трепа "за жизнь" я не против озвучить свои аргументы. Насчет скромности, поверьте, не из тщеславия я тут писать начал, а лишь популяризации для. Более того я ведь ничего не утверждаю, а лишь показываю, какая картина складывается. По поводу теоретиков и практиков замечу, что бОльших практиков по сабжу, чем мальчишки-авиамоделисты сейчас не найти, вот уж кто собаку съел на электроприводе, так, что почитать авиамоделистские форумы с точки зрения практики на мой взгляд полезнее, чем непонятно кем написанные статьи. У меня цена комплектующих вышла 27000 р. - согласен дорого, но не заоблачно, на какой-нибудь гармин многие столько тратят, когда можно обойтись смартфоном или планшетом за 4к р. Хотя ИМХО с мертвой точки дело сдвинется только когда какой-нибудь энтузиаст продемонстрирует на ютьюбе положительный результат.

questioner: AcroBatMan пишет: В общем, если вы дойдете до практических опытов, мы будем это горячо приветствовать К сожалению у меня нет автожира и вряд ли я замахнусь на его постройку в ближайшее время, т.к. строить абы-чего не хочется, а что конкретно не знается . Сочинить свой собственный автожир мне не хватает познаний. Это как в реальности без прикрас. Вкладывать деньги в поделку для ЛА, которого у меня нет тоже глупо. Тут два варианта возможны либо один из счастливых обладателей или строителей автожиров заинтересуется и будет готов приобрести все необходимое, тогда я готов помочь, либо разрабатывать коммерческий проект, но тут опять нужны испытания на чем-то, да и неясно каков будет спрос. Если представить, что все работает хорошо, раскрутка удалась, как вы думаете, какая цена для полного комплекта будет адекватной?

AcroBatMan: questioner пишет: Если представить, что все работает хорошо, раскрутка удалась, как вы думаете, какая цена для полного комплекта будет адекватной? Та, за которую ее будут покупать. Вам сейчас нет смысла вообще о цене думать. Мне тоже не интересно, т.к. я интересуюсь только экспериментами, имеющими реальные практические перспективы в обозримом, а не теоретическими мастурбациями Мы тут регулярно встречаем публику, которая годами может мусолить теории, палец о палец не ударив, чтобы перейти к практике. Мне скучно с ними, т.к. конечная-то цель - удовольствие от полетов.

questioner: Предельно ясно. Только раздел все же называется "вопросы проектирования". Мусолить больше нечего, все точки расставлены.



полная версия страницы