Správný elektromotor pro RC model nevybíráme podle jediného údaje o tahu, velikosti nebo hodnoty Kv. Vždy je potřeba posuzovat celý pohon: letovou hmotnost a typ modelu, požadovaný výkon, napětí akumulátoru, Kv motoru, vrtuli, proudové zatížení a regulátor. Teprve jejich vhodná kombinace určuje, zda bude pohon účinný, dostatečně výkonný a zároveň nebude motor zbytečně přetěžovat.
Pro první orientaci je praktické začít potřebným výkonem ve W/kg a potom zvolit motor, napětí a vrtuli tak, aby pracovaly v bezpečné oblasti. Tento článek jde více do hloubky a vysvětluje nejen samotný výběr motoru, ale také souvislost mezi proudem, Kv, příkonem, výkonem, účinností a zatížením vrtulí.
Obsah článku
- Podle čeho vybrat a dimenzovat elektromotor?
- Které parametry elektromotoru jsou důležité?
- Co znamená Kv a jak souvisí s napětím a vrtulí?
- Jak číst diagram elektromotoru?
- Kde má motor nejlepší účinnost a kdy jej přetěžujeme?
- Jak vybrat motor podle hmotnosti modelu a W/kg?
- Praktický příklad výběru motoru
Podle čeho vybrat a dimenzovat elektromotor pro RC model?
K častým dotazům patří „jak těžký model tento motor utáhne“, „jak se dá srovnat se čtyřstovkou“ nebo „jaký má tah“. Na tyto otázky ale nelze správně odpovědět pouze podle samotného motoru. Výsledek závisí také na napájecím napětí, vrtuli, proudu a vlastnostech modelu.
Poněkud zjednodušeně můžeme motor popsat jeho „fyzickou velikostí“ a „elektrickou velikostí“. Obě jsou pro výběr důležité, ale každá nám o motoru říká něco jiného.
Co znamená fyzická velikost elektromotoru?
Fyzickou velikostí rozumíme především rozměry a konstrukční velikost motoru. V jejich označování bohužel není mezi výrobci úplná jednotnost. Někteří výrobci používají údaje vycházející například z průměru a délky statoru, jiní pracují spíše se zástavbovými rozměry motoru.
Samotné číselné označení motoru proto nemusí mít u všech výrobců přesně stejný význam. Při porovnávání motorů je vhodné ověřit skutečný průměr, délku, hmotnost, Kv, povolený proud, napětí a doporučené vrtule v technických údajích konkrétního výrobce.
U některých motorů se setkáme s označením odvozeným od zástavbových rozměrů, což je pro modeláře praktické při návrhu instalace. Jiné označení může více vypovídat o konstrukci statoru. Číslo typu motoru proto nepoužívejte jako jediný parametr pro vzájemné porovnávání různých značek.
Které parametry elektromotoru jsou důležité?
Za základní elektrické parametry motoru můžeme pro praktický výběr považovat zejména maximální proud, otáčky na volt bez zatížení (Kv) a maximální příkon nebo výkon udávaný výrobcem. Pokud tyto údaje správně chápeme a spojíme je s napětím baterie a vhodnou vrtulí, můžeme motor pro konkrétní model zvolit podstatně přesněji.
Při orientačním porovnávání motorů předpokládáme podobný provozní režim a srovnatelnou účinnost. Ve skutečnosti se samozřejmě jednotlivé motory konstrukcí, účinností a chlazením liší, proto je při konečném návrhu nutné respektovat technické údaje konkrétního motoru.
1) Maximální proud motoru
Maximální proud určuje hranici elektrického a tepelného zatížení motoru. Souvisí mimo jiné s vinutím, konstrukcí motoru, magnetickým obvodem, otáčkami a schopností odvádět vznikající teplo.
V praxi proud výrazně ovlivňuje použitá vrtule. Pokud zvětšujeme její průměr nebo jiným způsobem zvyšujeme zatížení motoru, proud obvykle roste. Proto nestačí pouze zkontrolovat, zda je vrtule mechanicky možné na motor namontovat – musíme ověřit také skutečný proudový odběr.
2) Co znamená Kv neboli otáčky na volt?
Hodnota Kv udává přibližné otáčky motoru naprázdno na jeden volt napájecího napětí. Motor s hodnotou 1000 Kv tedy teoreticky směřuje při napětí 10 V přibližně k 10 000 ot./min bez zatížení. S nasazenou vrtulí budou skutečné otáčky nižší.
Kv není údaj o výkonu motoru. Motor s vyšším Kv není automaticky výkonnější než motor s nižším Kv. Hodnota Kv nám především pomáhá sladit motor s napětím baterie a požadovanými otáčkami vrtule.
Motor a napětí baterie volíme společně tak, aby se vrtule pohybovala v požadované oblasti otáček. Pokud například používáme nízké napětí, můžeme potřebovat motor s vyšším Kv. U pohonů s vyšším počtem článků naopak často používáme motor s nižším Kv, abychom udrželi vhodné otáčky vrtule.
Proto mohou dvě pohonné soustavy s velmi rozdílným napětím a Kv ve výsledku roztáčet vrtuli podobnými otáčkami. Vyšší napětí tedy samo o sobě neznamená, že vrtule musí pracovat při vyšších otáčkách.
Co se stane při špatně zvoleném Kv a otáčkách?
- Příliš vysoké otáčky: můžeme být nuceni použít vrtuli s malým průměrem nebo stoupáním, případně jiné řešení pohonu. Malá vrtule pracující ve vysokých otáčkách nemusí být pro daný typ modelu optimální.
- Příliš nízké otáčky: můžeme zvětšovat průměr vrtule, ale postupně narazíme na maximální povolený proud motoru a dalších částí pohonné soustavy.
Právě vztah mezi Kv, napětím, vrtulí a proudem je jedním z hlavních důvodů, proč nelze vhodnost motoru posuzovat podle Kv samotného.
3) Maximální příkon a účinnost elektromotoru
Každý elektromotor pracuje s určitou účinností, takže ne všechen elektrický příkon se přemění na mechanický výkon na hřídeli. Část energie se mění především na teplo.
Pokud si pro jednoduché vysvětlení představíme účinnost 80 %, potom se přibližně 80 % dodané energie využije pro mechanickou práci a zbývajících 20 % představují ztráty. Je to zjednodušený příklad, protože skutečná účinnost se mění podle pracovního bodu motoru.
Motor musí vznikající teplo odvést do okolí tak, aby jeho teplota zůstala v přijatelných mezích. Proto spolu do určité míry souvisejí velikost motoru, jeho hmotnost, schopnost chlazení a výkon, který může bezpečně zpracovat.
To také vysvětluje, proč nelze různé konstrukce motorů porovnávat pouze podle jejich hmotnosti nebo vnějších rozměrů. Rozdílná účinnost znamená rozdílné množství vznikajícího tepla a tím také jiné požadavky na konstrukci a chlazení.
Jak číst typický diagram elektromotoru?
Typický diagram elektromotoru dobře ukazuje, proč nejvyšší výkon a nejvyšší účinnost neleží ve stejném pracovním bodě. Pro jednoduché vysvětlení předpokládejme konstantní napájecí napětí.
Křivka příkonu se s rostoucím proudem zvyšuje, zatímco mechanický výkon po dosažení určitého maxima začne opět klesat. Rozdíl mezi elektrickým příkonem a využitelným mechanickým výkonem představují ztráty, které se z velké části projeví jako teplo.
Křivka účinnosti vyjadřuje poměr využitelného výkonu k dodanému příkonu. Maximum účinnosti leží při menším zatížení než maximum výkonu. To je pro správné dimenzování pohonu velmi důležité.
Na vodorovné ose diagramu sledujeme proud, který souvisí se zatížením motoru. U RC letadla zatížení výrazně ovlivňuje vrtule. Menší vrtule zpravidla znamená nižší zatížení a proud, zatímco zvětšováním vrtule proud roste.
Poznámka pro přesnost: na levém okraji diagramu není proud ve skutečnosti nulový. I nezatížený motor potřebuje určitý proud pro vlastní chod a překonání ztrát.
Co v diagramu znamená příkon?
Fialovou barvou je znázorněn elektrický příkon, tedy součin napětí a proudu dodávaného do motoru. Při konstantním napětí se se zvyšujícím proudem příkon zvyšuje.
Co v diagramu znamená výkon?
Modrou barvou je znázorněn mechanický výkon využitelný například pro roztočení vrtule. Se zatížením nejprve roste, dosáhne maxima a při dalším extrémním zatěžování opět klesá.
Co v diagramu znamená účinnost?
Žlutou barvou je znázorněna účinnost, tedy poměr mechanického výkonu k elektrickému příkonu. Její maximum je posunuté směrem k menšímu zatížení než maximum výkonu.
- Nejlepší účinnost a nejvyšší výkon nenastávají při stejném proudu. Motor zatížený na nejvyšší výkon proto nepracuje současně v oblasti své nejvyšší účinnosti.
- Rozdíl mezi příkonem a mechanickým výkonem představují ztráty. Při extrémním zatížení může prudce růst množství energie měněné na teplo a motor lze velmi rychle poškodit.
Kde má motor nejlepší účinnost a kdy jej přetěžujeme?
- Motor je potřeba provozovat ve vhodném pracovním bodě. Pokud jeho zatížení neodpovídá konstrukci a doporučeným provozním hodnotám, nemusíme jeho možnosti využít nebo jej naopak můžeme přetížit.
- V oblasti nejlepší účinnosti motor nepodává svůj absolutně nejvyšší výkon. Pracuje ale hospodárněji, vzniká méně ztrátového tepla a pohon může lépe využívat energii akumulátoru.
- Vyššího výkonu lze dosáhnout větším zatížením, ale za cenu poklesu účinnosti a vyššího tepelného namáhání. Při návrhu pohonu proto není cílem dostat se za každou cenu k maximálnímu možnému výkonu motoru.
Čím více se pohybujeme od oblasti nejlepší účinnosti směrem k vysokému zatížení, tím větší pozornost musíme věnovat proudu, teplotě a době provozu. Údaj o krátkodobém maximálním výkonu nebo proudu nelze automaticky považovat za hodnotu vhodnou pro trvalý provoz.
V původní praktické úvaze se pro extrémní zatížení počítalo pouze s velmi krátkou dobou, přibližně 10 až 15 sekund. U dnešních motorů ale vždy vycházejte především z údajů výrobce konkrétního motoru, protože povolený trvalý a krátkodobý proud i podmínky chlazení se mohou výrazně lišit.
Pro běžný provoz nás zajímá především oblast před bodem maximálního výkonu, nikoliv extrémně přetížená část charakteristiky. Také výpočtové programy pro návrh elektropohonu pracují s oblastí, která má pro reálný provoz motoru praktický význam.
Zablokování vrtule při přivedeném výkonu je pro pohon velmi nebezpečný stav. Otáčky klesnou, proud může prudce vzrůst a vinutí motoru, regulátor nebo další části pohonné soustavy se mohou během velmi krátké doby poškodit.
Podobný problém může způsobit příliš velká nebo jinak nevhodně zvolená vrtule. Motor se dostane do výrazně vyššího zatížení, proud vzroste a pohon začne produkovat více tepla. Proto je po změně vrtule vhodné skutečný proud vždy změřit.
Jak vybrat výkon motoru podle hmotnosti RC modelu?
První orientační volba motoru se může odvíjet od potřebného elektrického příkonu a předpokládané účinnosti celé pohonné soustavy. Výpočet není dokonale přesný, ale poskytuje velmi dobré vodítko pro další návrh.
Elektrický příkon vypočítáme jako součin napětí a proudu: P = U × I.
Například při napětí 10 V a proudu 10 A je elektrický příkon 100 W.
Napětí je dáno především použitým akumulátorem a jeho počtem článků, zatímco proud zásadně ovlivňuje zatížení motoru vrtulí. Proto při změně vrtule nemůžeme automaticky předpokládat stejný proudový odběr.
Kolik W/kg potřebuje RC letadlo?
Potřebný příkon závisí především na letové hmotnosti modelu a požadovaném způsobu létání. Pro první orientaci lze použít následující praktické hodnoty:
| Typ a způsob létání | Orientační příkon |
|---|---|
| Slow flyer, lehký park flyer | 100–140 W/kg |
| Trenér, pomalá maketa, model s menším přebytkem výkonu | 140–180 W/kg |
| Základní akrobacie, rychlejší maketa | 180–220 W/kg |
| Akrobatický nebo rychlý model | 220–260 W/kg |
| 3D akrobacie, výkonově náročnější pohon | 260–300 W/kg |
| Velmi výkonná až neomezená akrobacie | 300–400 W/kg a více |
Tyto hodnoty jsou pouze orientační, nikoliv pevné hranice. Dva modely stejné hmotnosti mohou kvůli rozdílné aerodynamice, plošnému zatížení, vrtuli a požadovanému letovému projevu potřebovat rozdílný výkon.
Pokud chcete rychle určit přibližný výkon podle typu a hmotnosti letadla, použijte také naši pomůcku pro výběr motoru podle typu a váhy letadla.
Praktický příklad výběru motoru pro model Super Zoom 4D
Původní praktický příklad pracuje s modelem Super Zoom 4D od firmy Hacker o předpokládané letové hmotnosti přibližně 500 g včetně baterie. Cílem je dimenzovat pohon pro 3D akrobacii.
Pro první návrh použijeme minimálně 260 W/kg. Při letové hmotnosti 0,5 kg vychází požadovaný příkon:
0,5 kg × 260 W/kg = 130 W
Tím ale výběr motoru nekončí, protože skutečný letový projev vytváří vrtule a její spolupráce s celým pohonem. Informace o motoru a baterii jsou důležité, ale stejně podstatný je průměr vrtule, její stoupání a otáčky.
Pro tento konkrétní příklad můžeme uvažovat maximální otáčky vrtule kolem 10 000 ot./min. Tomu odpovídá motor s hodnotou přibližně 1000 Kv při napájení kolem 10 V, tedy přibližně tříčlánkovým Li-Pol akumulátorem.
Pro orientační návrh lze uvažovat například motor velikostní řady 2830 s dostatečnou výkonovou rezervou. Označení 2830 ale nemusí mít u všech výrobců totožný význam, proto je vždy nutné zkontrolovat skutečné technické parametry konkrétního motoru.
Pokud použijeme LiPo 3S a pro jednoduchý původní výpočet počítáme s provozním napětím přibližně 10 V, můžeme z požadovaného příkonu určit proud:
130 W / 10 V = 13 A
Potřebujeme tedy pohonnou sestavu, která zvládne proud přibližně 13 A s odpovídající rezervou. Nestačí však ověřit pouze motor – potřebný proud musí bezpečně zvládnout také regulátor, baterie, konektory a kabeláž.
Jak v příkladu zvolit Kv a vrtuli?
V rámci uvažované velikosti motoru hledáme variantu kolem 1000 Kv a následně ji sladíme s vrtulí. V původním praktickém příkladu vycházela jako vhodná vrtule GWS 9×5.
Skutečný proud je ale potřeba změřit, protože závisí nejen na rozměru vrtule, ale také na jejím konkrétním provedení a skutečných otáčkách. Označení vrtule proto samo o sobě nezaručuje určitý proudový odběr.
- Otáčky vrtule lze v tomto konkrétním příkladu očekávat přibližně 8 500–9 000 ot./min.
- Průměr vrtule volíme mimo jiné podle povoleného proudového zatížení motoru.
- Stoupání vrtule volíme s ohledem na požadovanou rychlost letu a charakter modelu.
Vrtule je proto jednou z klíčových částí návrhu pohonu. Pokud potřebujete porovnat různé průměry a stoupání, najdete na BigHobby také kategorii RC vrtulí.
Jak podle proudu zvolit baterii a regulátor?
Jakmile známe přibližný proud pohonu, můžeme správně dimenzovat baterii a regulátor. Původní příklad pracoval při proudu kolem 13 A s akumulátorem DualSky Xpower 1300-3S. Konkrétní historický typ baterie ale není podstatou výpočtu – důležité je, aby použitý akumulátor dokázal požadovaný proud bezpečně dodávat.
Stejně tak musí být dostatečně dimenzovaný regulátor ESC. Jeho proudová zatížitelnost musí odpovídat skutečnému odběru pohonu a je vhodné ponechat provozní rezervu. Aktuální nabídku najdete v kategorii RC regulátorů.
Všechny předchozí úvahy se týkají především provozu při plném plynu. Právě tehdy má smysl ověřit maximální proud, příkon a teplotu jednotlivých komponentů.
Proč nejsou výpočty při výběru motoru úplně přesné?
Orientační výpočty pohonu běžně pracují s přibližnými hodnotami a není to chyba. Skutečný výsledek ovlivňuje účinnost motoru, napětí baterie pod zatížením, konkrétní vrtule, proudění za letu, teplota, kvalita komponentů i aerodynamika modelu.
Pokud se při prvním návrhu dostaneme k výsledku s rozumnou přesností a bezpečnou rezervou, máme velmi cenný základ pro další měření a doladění. Je podstatně lepší pracovat s kvalifikovaným odhadem a následným měřením než vybírat motor pouze podle pocitu nebo jediného údaje v názvu.
Jakou roli při výběru motoru hraje stoupání vrtule?
Stoupání vrtule musí být sladěno s jejími otáčkami a požadovanou rychlostí letu. Není tedy správné řešit pouze průměr vrtule a stoupání ignorovat.
Průměr vrtule má velmi výrazný vliv na zatížení motoru a proud, zatímco stoupání významně souvisí s rychlostním režimem, ve kterém má vrtule pracovat. Proto může stejný motor vyžadovat jinou vrtuli u pomalého 3D modelu než u rychlého sportovního letadla.
Měření na zemi navíc nepopisuje dokonale podmínky během skutečného letu. Vrtule při statickém měření pracuje při nulové dopředné rychlosti, zatímco za letu se její pracovní podmínky mění. Statické měření proudu je velmi důležité pro kontrolu bezpečnosti pohonu, ale letové vlastnosti je následně potřeba ověřit také prakticky.
Jak tedy postupovat při výběru elektromotoru?
Nejprve určete skutečnou nebo předpokládanou letovou hmotnost modelu a požadovaný způsob létání. Podle toho odhadněte potřebný příkon ve W/kg. Potom zvolte vhodné napětí akumulátoru a Kv motoru s ohledem na požadované otáčky a rozměr vrtule.
Následně zkontrolujte maximální proud motoru, doporučené vrtule a napájecí napětí výrobce. Podle předpokládaného proudu dimenzujte regulátor a baterii. Hotovou sestavu nakonec ověřte měřením proudu, napětí a příkonu a sledujte také teplotu komponentů.
Motor, vrtule, regulátor a akumulátor vždy tvoří jeden celek. Proto je lepší nehledat odpověď na otázku „jaký motor utáhne můj model“, ale určit, jakou pohonnou soustavu konkrétní model potřebuje.
Pokud už znáte požadované parametry, můžete pokračovat do kategorie RC motorů. Pro samotný výběr ale doporučujeme nejprve dokončit výpočet a zkontrolovat, zda zvolený motor odpovídá napětí, vrtuli a požadovanému proudu.
Jaký elektromotor zvolit pro svůj RC model – praktické příklady
Pokud chcete jít více do praktických příkladů, podívejte se také na navazující článek věnovaný volbě elektromotoru, výkonovému zatížení, vrtulím a příkladům elektrifikace konkrétních RC modelů.
Článek převzat od pana Hořejšího, odborný obsah byl redakčně aktualizován a rozšířen pro snadnější orientaci při výběru současného RC elektropohonu.
Nejčastější dotazy k výběru správného motoru pro RC model
Podle čeho vybrat správný elektromotor pro RC model?
Motor nelze spolehlivě vybrat pouze podle hmotnosti modelu nebo jednoho údaje v jeho názvu. Důležité jsou jeho rozměry, KV, maximální proud a příkon, doporučené napětí a způsob zatížení. U letadla do výběru výrazně vstupuje také vrtule, u auta převod a velikost kol. Proto je vhodné RC motor posuzovat jako součást celé pohonné soustavy společně s baterií, regulátorem a prvkem, který jeho výkon skutečně přenáší na model.
Jak souvisí výkon motoru s jeho proudem a napětím?
Elektrický příkon lze orientačně určit jako součin napětí a proudu: P = U × I. Pokud tedy pohon při napětí 12 V odebírá 20 A, elektrický příkon je přibližně 240 W. Neznamená to však, že všech 240 W získáme jako mechanický výkon na hřídeli – část energie se mění na teplo a další ztráty. Právě proto je při výběru motoru důležité sledovat nejen watty, ale také jeho účinnost, proudové limity a provozní podmínky.
Proč nestačí vybírat RC motor jen podle hodnoty KV?
KV není výkon motoru, ale údaj o jeho otáčkové charakteristice. Vyjadřuje přibližný počet otáček za minutu na jeden volt napájecího napětí při chodu bez zatížení. Dva motory se stejným KV proto mohou mít výrazně odlišnou velikost, hmotnost, maximální proud i výkon. Prakticky je to dobře vidět například u motorů BigHobby: Flash Hobby EVO2826 1000KV má hmotnost přibližně 56 g a výrobce u varianty 1000KV uvádí maximální výkon 292 W, zatímco jiné motory s podobným KV mohou být rozměrově i výkonově úplně jinde. Samotné KV tedy k výběru nestačí.
Jak ovlivňuje vrtule zatížení motoru RC letadla?
Vrtule je pro elektromotor zátěž a její změnou se může výrazně změnit proudový odběr. Větší průměr nebo vyšší stoupání zpravidla motor více zatíží, takže není bezpečné namontovat větší RC vrtuli jen proto, abyste získali vyšší tah. U konkrétního motoru je vhodné vycházet z tabulky doporučených kombinací vrtule a napětí a ideálně ověřit skutečný proudový odběr. Pokud proud překročí limit motoru, další zatěžování už nepřináší bezpečný výkon, ale především více tepla a riziko poškození pohonu.
Proč se elektromotor v RC modelu přehřívá?
Výrazné zahřívání často znamená, že motor pracuje mimo vhodnou oblast zatížení nebo nemá dostatečné chlazení. U letadla může být příčinou příliš velká vrtule, nevhodné napětí nebo vysoký proud, u RC auta například příliš těžký převod, velká kola nebo vysoké mechanické zatížení. Teplo vzniká také kvůli přirozeným ztrátám motoru. Pokud se pohon nadměrně zahřívá, není správným řešením pouze přidat chlazení – nejprve zkontrolujte motor, zatížení, baterii, regulátor otáček a mechanický chod celé soustavy.
Co znamená označení motoru 2830, 2836 nebo 3650?
Číselné označení často souvisí s rozměry motoru, ale způsob značení není u všech výrobců stejný. U některých motorů čísla odpovídají přibližnému vnějšímu průměru a délce, jiní výrobci mohou vycházet z rozměrů statoru nebo používat vlastní systém. Proto podle označení typu 2830 či 3650 automaticky nepředpokládejte přesné rozměry. Při výměně motoru zkontrolujte skutečný průměr a délku těla, montážní rozteč, průměr hřídele a prostor v modelu. Podle konstrukce se mohou hodit také odpovídající montáže pro motory.
Je nejlepší provozovat elektromotor na jeho maximálním výkonu?
Ne. Bod nejvyššího výkonu není zároveň bodem nejlepší účinnosti. S rostoucím zatížením se zvyšuje proud a příkon, ale zároveň rostou tepelné ztráty. Motor proto není vhodné dlouhodobě provozovat na hranici jeho maximálních parametrů. Zvlášť nebezpečné je zablokování hřídele nebo vrtule – motor může odebírat velmi vysoký proud a rychle se poškodit. Správně navržený pohon poskytuje potřebný výkon s rozumnou rezervou a bez nadměrného zahřívání motoru, regulátoru a RC baterie.
Co je potřeba sladit při sestavení elektrického pohonu RC modelu?
Motor, regulátor, baterii a mechanickou zátěž je potřeba vybírat jako jeden systém. Regulátor musí odpovídat typu motoru a zvládnout napětí i proud sestavy, baterie musí dodat potřebný proud a u letadla musí být správně zvolená vrtule, u auta zase převod. U střídavých pohonů můžete vybírat z brushless RC motorů, pro vrtulové modely jsou často vhodné outrunner motory a pro vysokootáčkové aplikace se používají také inrunner motory. Pokud chcete část komponentů pořídit už v navržené kombinaci, BigHobby nabízí také motorová comba.