Kromě modelářství nás baví i jiné obory. Právě jsme spustili nový e-shop DAMANO.cz. Omrkněte naši další nabídku.

Příklady: Jaký elektromotor zvolit pro svůj model?

Nejednou nám telefonoval zákazník dožadující se rady, jaký elektromotor má zvolit pro svůj model. Několik let používáme jednoduchou metodu, která u rekreačních modelů poměrně spolehlivě vychází.

Budeme se dále věnovat bezkartáčovému elektromotoru, anglicky Brushlles Motor, pro zkrácení BLM.

Oproti komutátorovým motorům mají BLM větší účinnost, zejména křivka účinnosti je plošší. Mají i výrazně menší hmotnost. Jejich životnost je delší, neopotřebovávají se totiž kartáče.

elektromotory

 

Na obrázku jsou BLM různých velikostí. Nejrozšířenější jsou takzvané oběžky, u nichž rotor s magnety obíhá kolem vinutí.

Při volbě motoru vycházíme z předpokládané hmotnosti modelu a jeho typu. Je jasné, že jiné výkonové zatížení g/W bude mít akrobatický model a jiné pomalu stoupající elektrovětroň s nízkým plošným zatížením křídla. Pokusil jsem se základní technické údaje sestavit do přehledné tabulky.

Tabulka 1 – výkonové zatížení různých modelů

Typ modelu

Výkonové zatížení [g/W]

Akrobatický

<5

Cvičný schopný základní akrobacie

<8

Cvičný neakrobatický

<10

Historický

<12

Elektrovětroň

<15

 

Hodnoty jsou informativní a platí zejména pro rekreační modely. Záleží na plošném zatížení, účinnosti vrtule a dalších činitelích.

Pro názornost připojuji ještě údaje několika elektromotorem poháněných modelů, viz tabulka:

Tabulka 2 – přehled některých modelů

Model

Plošné zatížení křídla [g/dm²]

Výkonové zatížení [g/W]

Sky Baby  

51,0

5,8

Simplex

40,0

5,0

QB-20

44,0

7,0

P-51

51,0

5,8

Aquila

40,9

7,4

DH-82

40,5

9,4

QB-15

37,8

12,8

Rudy (větroň)

21,1

10,5

Riser (větroň)

20,0

6,7

Rebelant (větroň)

20,0

6,0

Bird of Time (větroň)

24,4

8,0

Nicrophorus (větroň)

20,0

7,0

Kruh (větroň)

16,5

8,2

Ke Telodrm (bezocasý)

9,65

8,2

Miss Science (historický)

23,4

10,9

San José (historický)

26,8

5,8

K. C. Cuttie (historický)

28,6

6,9 až 9

 

Při volbě motoru vycházím z předpokladu, že maximální výkon je kolem 4 W/g hmotnosti BLM. Přibližně to platí pro většinu typů, u nejmenších musíme odečíst hmotnost montážní příruby a vrtulového unašeče. Takto zatížený motor pracuje pravděpodobně s nižší účinností, než je nejvyšší, proto používám při první úvaze hodnotu 3 g/W. Tím máme i jistou rezervu výkonu. Pro výpočet přibližného největšího výkonu při napájení z Li-pol akumulátorů používám jednoduchý vztah:

P = n * 3,3 * I

P je výkon ve wattech, n je počet akumulátorů v sérii, 3,3 je napětí jednoho článku a I je odebíraný proud v ampérech. Ve vzorci je skrytě zahrnuta přibližná účinnost motoru s regulátorem.

Příklad

Elektrovětroň pro rekreační poletování s malým plošným zatížením, vysoká stoupavost není podmínkou. Předpokládaná letová hmotnost modelu 900 g, výkonové zatížení 8 g/W. Potřebný výkon bude 900 / 8 = 112,5 W Když tuto hodnotu podělíme třemi, vyjde nám přibližná hmotnost motoru 38 g.

Budeme hledat motor s hmotností stejnou nebo vyšší blízkou. Pohledem na stránky prodejců si vybereme vhodný motor, například BH POWER 28-22 1 100 kV o hmotnosti 38 g a udávaném výkonu 110 W nebo některý motor o větší hmotnosti a výkonu. Jestliže použijeme zbytečně velký motor, budeme vozit nadměrnou hmotnost, roztáčet zbytečně velkou hmotu a odebírat větší proud z baterie.

Velmi důležitá je také volba vrtule. Neúčinná vrtule může zhatit naše úsilí. Musíme mít na paměti, že pevná vrtule pracuje s největší účinností jen v jednom režimu. Větší účinnost bude mít vrtule o větším průměru a nižších otáčkách než malá s vysokými otáčkami. Pro zkoušky je dobré mít sadu různých vrtulí.

Největší vliv na účinnost vrtule má rychlost letu. Stoupání vrtule musí být úměrné rychlosti letu modelu. Malá rychlost, malé stoupání a opačně. Stoupání vrtule se udává v 0,75 R, R je poloměr vrtule. Na účinnost vrtule působí řada vlivů, například štíhlost jejích listů, správné rozdělení tloušťky a hloubky profilu podél listu, volba tvaru profilu, proměnlivé stoupání a další. Také blízkost jiných těles na trupu zhoršuje vlivem interakce účinnost vrtule, vliv průměru trupu je v grafu:

graf-motoru

Účinnost může zhoršit i nevhodný vrtulový kužel s vyčnívajícími konci trámce pro montáž sklopných vrtulových listů, zejména u malých průměrů vrtulí.

Na obrázku níže je příklad neupraveného a upraveného trámce vrtule malého průměru. Uprava je popsána na konci tohoto článku. Nejvhodnější je, když z kuželu trámec nevyčnívá.

vrtule-rc

 

Na obrázku níže (nevhodný motorový prostor modelu) je příď modelu QB-15 s charakteristickou motorovou částí pro spalovací motor.

prid-motoru

Spalovací motor se obtížněji zakrývá, proto se u jednoduchých modelů s oblibou používá toto řešení. Pro pohon elektromotorem je však zdrojem aerodynamického odporu a horší účinnosti vrtule. Jestliže vše překryjeme tenkým plechem nebo plastovou fólií, znatelně zvýšíme účinnost.

Na obrázku níže je zachycen historický model Miss Science poháněný spalovacím motorem Modela Junior 2 a jeho předek po elektrifikaci.

junior

Velmi důležitá je závislost výkonu na rozměrech a otáčkách vrtule. Musíme mít na paměti, že výkon roste s pátou mocninou průměru vrtule! Stačí zvolit větší rozteč trámce pro sklopnou vrtuli a místo vrtule o průměru 250 mm máme vrtuli o průměru 265 mm. Zdá se to zanedbatelný rozdíl, ale při stejných otáčkách vyžaduje vrtule většího průměru o 34 % větší výkon. A to zanedbávám zvětšení stoupání vrtule. Výkon roste přímo se stoupáním a s třetí mocninou otáček vrtule.

Někdy bude vhodné použít převodovku, abychom mohli instalovat vrtuli velkého průměru. Máme dvě různé tvarově podobné vrtule z jedné rodiny vrtulí. Můžeme napsat první rovnici viz obrázek rovnice:

rovnice-motoru

Obě vrtule budou poháněny stejným výkonem. Výsledný vzorec umožní rychlý výpočet potřebného převodového poměru.

Příklad 1

Máme elektromotor pohánějící vrtuli o rozměrech 150/100 mm. Chceme použít vrtuli o rozměrech 230/120 mm. Vypočtený převodový poměr je 2,33 : 1. Vhodná bude převodovka značky MP Jet.

Příklad 2

Elektromotor pohání přímo vrtuli o rozměrech 200/110 mm. Chceme použít vrtuli 360/200 mm. Převodový poměr bude 3,25 : 1. Vybereme převodovku s nejbližším převodovým poměrem, nejspíš 3 : 1 nebo 3,33 : 1. S menším převodovým poměrem bude příkon elektromotoru větší, s větším převodovým poměrem nižší.

Elektrifikace modelů poháněných původně spalovacím motorem

V současné době je velmi častá. Čím měl původní spalovací motor menší zdvihový objem, tím je elektrifikace vhodnější a úspěšnější. Malé spalovací motory mají totiž značné mechanické ztráty, jednoduše řečeno spotřebovávají mnoho výkonu k pohonu sama sebe.

Výjimkou jsou motory Cox Tee Dee. Například kdysi velmi populární sovětský detonační motor MK-17 o hmotnosti 140 g měl udávaný výkon 110 W. BLM o stejné hmotnosti má největší výkon kolem 650 W. Elektromotor o stejném výkonu bude mít hmotnost tři až čtyřikrát menší než spalovací motor MK-17.

Při elektrifikaci vyjdeme z reálného výkonu našeho spalovacího motoru.

V grafu níže je obecně znázorněna závislost výkonu dvoudobého spalovacího motoru s RC karburátorem a expanzním tlumičem na otáčkách. Odpovídá spotřebnímu motoru s největším výkonem při 12 000 až 17 000 ot./min s expanzním tlumičem.

graf1

Pro další ilustraci je uveden graf.

graf3

Údaje výrobců mohou být vyšší, než jakého výkonu dosahují motory v rukách běžných rekreačních modelářů. Grafy jsou věnovány dvěma motorům, které jsem před léty měřil na brzdě se standardním palivem. Důležité jsou rozdílné křivky s laděným a expanzním tlumičem. S laděným je výkonnostní křivka mnohem ostřejší.

Jak použít graf?

Máme motor s udávaným největším výkonem při 17 000 ot./min. Protože takových otáček dosahuje s malou vrtulí, máme na modelu vrtuli větší a s ní nám točí 12 000 ot./min. Tedy 70,5 % otáček při nejvyšším výkonu. Odečtením z grafu zjistíme, že máme výkon asi 83 % maximálního.

Vybavuje se mi vzpomínka na jednoho zdatného modeláře, který v důchodu čile stavěl polomakety stíhacích letounů. K pohonu používal různé varianty motorů MVVS 6,5. Pokoušel se létat s polomaketou stíhacího letounu Dewoitine D.370.

Letoun byl poháněn hvězdicovým motorem, model šestapůlkou se zadním sáním určenou pro pyloňáky. S velkou vrtulí točil asi 11 000 ot./min. Kamarád argumentoval velkým udávaným výkonem při vysokých otáčkách. Na to jsem pravil, že motor má výkon asi půl koně, vrtule nízkou účinnost a s tím model neodstartuje. Marná kamarádova snaha mi, bohužel, dala za pravdu. Současný nízkootáčkový BLM by byl vhodnější a jistě by vedl k úspěchu.

Dva příklady elektrifikace

Příklad 1 – historický

Model Miss Science:

Původně létal s motorem Junior 2, ten vystřídaly další motory a posledním spalovacím byl motor MVVS 2, viz graf:

graf4

Výrobce udával největší výkon 380 W při 19 000 ot./min.

Můj graf odpovídá provozu motoru rekreačním modelářem a největší výkon jsem naměřil téměř 300 W při 17 500 ot./min. S pečlivě upravenou vrtulí bych nejspíš při vyšších otáčkách dosáhl výkonu blízkého údaji výrobce. Jenže ječící motor na historickém modelu není to pravé.

Proto jsem použil vrtuli o rozměrech 220/120 mm, se kterou motor točil asi 10 000 ot./min. Laděný výfuk byl uložen šikmo u boku trupu a prodloužený silikonovou hadicí až pod trup. Je to vidět na letovém snímku. Nezakrytý motor, ofukovaný výfuk s hadicí, zdroj to zvýšeného odporu a nižší účinnosti vrtule.

Z grafu proto odečteme výkon asi 110 W. Tedy žádný zázrak. Tomu odpovídala nevalná stoupavost.

Dále jsem udělal hmotnostní rozbor:

  • Motor s tlumičem 186g
  • Nádrž z pocínovaného plechu s palivem 110g
  • Motorové lože  34g
  • Napájecí zdroj 4 NiMH a vypínač 132g
  • Celkem: 464g

Hmotnost serva pro řízení plynu odpovídá hmotnosti budoucího regulátoru.

S touto motorizací model o vzletové hmotnosti 1400g jen pomalu stoupal.

K elektrifikaci jsem použil:

  • Elektromotor D2830/11 o max. výkonu 210W 52g
  • Tříčlánek Li-pol 2200 mAh 182g

Sklopná vrtule má větší hmotnost než malá pevná. Celková vzletová hmotnost elektrifikovaného modelu je rovných 1 200 g. Motor odebírá na zemi proud 11 A. Pro výpočet přibližného výkonu vynásobím počet článků napětím na článek 3,3 V a odebíraným proudem. Výkon mi tedy vyšel kolem 110 W, tedy asi stejný jako v případě pohonu spalovacím motorem.

Menší plošné zatížení, menší aerodynamický odpor a znatelně větší účinnost vrtule (nebyl ofukován tlumič s hadicí, hlava motoru a BLM byl zakryt) se projevilo výrazně větší stoupavostí a lepší klouzavostí s menší klesavostí. Původní zatížení křídla činilo 30,8 g/dm², výkonové 12,7 g/W, po elektrifikaci klesly hodnoty na 26,7 g/dm² a 10,9 g/W. S modelem úspěšně létám v termice.

Příklad 2 – elektrifikace polomakety DH-82 Tiger Moth

Původně byl model poháněn spalovacím motorem ASP o zdvihovém objemu 6,5 cm³ a vzletová hmotnost byla 2 450 g. Model jsem upravil pro pohon elektromotorem napájeným z tříčlánku o kapacitě 2 200 až 3 300 mAh. Výkon elektromotoru kolem 250 W stačí na klidné poletování proložené přemety a výkruty.

Doba letu modelu o vzletové hmotnosti 2 350 nebo 2 400 g je kolem dvanácti minut. Motor je výkonově nevyužit, dobře by posloužil i menší motor o hmotnosti kolem 100 g.

Při výběru pohonu se nevyhneme experimentování, zejména výběru vrtule vhodné pro daný model. To se projeví v delší životnosti zdrojů, jejich menší hmotnosti a ve výsledku i ve snížení penežních nákladů.

Nedílnou součástí BLM je regulátor, který zastává funkci komutátoru a většinou i napájecího zdroje pro palubní přijímač, serva, případně další zařízení.

To je ale jiná kapitola.

 

Zdroj: RC Revue