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.

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.

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:

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:

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.

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

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.

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:

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.

Pro další ilustraci je uveden graf.

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:

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