Nasze napędy - pomiary silników : moc, moment, sprawność

[AMC]

Dzięki Hubercie . Mógłbyś wyedytować i dodać odstępy poziome i pionowe, bo rzeczywiście nie mogę się połapać, co do czego ?

 

Ostatnia grupa danych jest już dostatecznie dobrze czytelna ("załączone miniatury"), czy te moje wyglądają na Twoim ekranie podobnie ?

Zawiera ona dobry przykład pułapek Motocalca : te dane są nierealne, Permax 400 nie rozproszy 120 watów strat, wykopci się przy połowie

tej mocy (komutator i szczotki, patrz opis pomiarów w #6). Do 11,1 V zasilania nie doszedłem, już przy 9,51 V śmigło obracało się szybciej,

niż podaje Motocalc dla tego 11,1 V.

Dane w nagłówku (pierwszy wiersz, opis silnika) są zgodne ze zmierzonymi przeze mnie, dostatecznie dokładnie.

 

 Shock, powyższe zawiera częściową odpowiedź na Twoje wątpliwości, które są uzasadnione samym życiem i zrozumiałe dla mnie.

Cyferki nie odzwierciedlające realiów są gorzej niż bezużyteczne, są bałamutne i nieuczciwe, jestem przeciwnikiem takiego "zastosowania"

wiedzy i umiejętności - mydlenia oczu.

O ile realia poradzą sobie na pewnym poziomie już bez cyferek - można jakoś tam sobie latać lepiej czy mniej dobrze, ale frajda i tak jest -

- o tyle cyferki oderwane od realiów nie mają racji bytu, bywają zwykle szkodliwe i mogą skutkować przykrymi sytuacjami, czyli efektem

odwrotnym do zamierzonego w tej całej Naszej zabawie.

 

"... Czy nos dla tabakiery, czy ona dla nosa ?

 Była wielka dysputa ze starym młokosa..."

 

Czucie i wiara ? Shock, po ponad pół wieku obcowania z tematem nie musisz przykładać ucha do trawy, intuicyjnie wiesz, co tam piszczy  ...

 

EDIT : Dzięki, Hubercie, teraz jest OK., można porównywać śmiało. Dla początkujących, słabiej zorientowanych w gąszczu skrótów i symboli

           Motocalca przydałoby się może dodać legendę tych symboli wielkości z tabelek, to się zwyczajowo robi nawet dla dość oczywistych

           przypadków.

           Zrobiłeś niezły kawałek dobrej roboty, ja też nie próżnuję. Napisz tylko jeszcze coś o problemach z czytelnością danych, na czym

           u Ciebie polegają ?

Edytowane 6 Marca 2016 przez AMC

[hubert_tata]

Teraz widzę, że na forum nie jest łatwo zamieścić tabelki
Twoje i moje są podobne.
 
Kilka wskazówek odnośnie legendy, bo jest brany pod uwagę napęd (zasilanie, regulator, silnik, przekładnia, śmigło) jak również konkretny model:
AirSpd [m/s] - prędkość modelu (wynosi 0, gdy robimy pomiary ciągu stacjonarnego)
Loss [W] - moc tracona napędu (ciepło, hałas)
MotGb Ef [%] - MGbOut/Input - sprawność napędu (moc włożona)/(moc oddana)
RofC [m/s] - prędkość wznoszenia
PSpd [m/s] - prędkość względna strumienia zaśmigłowego do prędkości modelu (ważne dla symulacji w locie)
Drag [g] - opór modelu (to drugorzędna sprawa)
Lift [g] - siła nośna modelu (jw)
Battery Amps [A] - teoretyczna wydajność baterii
Total Ef [%] - sprawność elektromechaniczna (uwzględnia też śmigło)
Time [m:s] - przewidywany czas lotu na pełnym gazie

[AMC]

Super . Spróbujmy kompleksowo wyjaśnić wszystkie oznaczenia z Motocalca (nie tylko fachowcy powinni móc jak najwięcej zrozumieć ).

 

 Cells - liczba ogniw, rodzaj podany w opisie nad tabelką

 

 Gear - przełożenie przekładni, o ile jest. Jeżeli występuje wielkość "1,00" to znaczy, że jej nie ma

 

 Diam - średnica zewn. śmigła, w calach. Cal użyty tu to 25,4 mm

 

 Pitch - skok śmigła, jw.

 

 Weight - hipotetyczny ciężar modelu, w gramach; tu są wątpliwości, jaka zmienna powoduje jego niestałość, czy bateria?- temu przeczą pozostałe dane(czas do kreta)

 

 Batt Amps - natężenie prądu pobieranego z akumulatora  (bez uwzględnienia innych odbiorników gwarantuje błąd wyliczonego teoret. czas lotu), w amperach

 

 Motor Amps - natężenie prądu pobieranego przez silnik, w amperach

 

 Motor Volts - napięcie na zaciskach silnika, w woltach

 

 Input (domyślnie: moc wejściowa) - moc elektryczna na zaciskach silnika, w watach

 

 InPLd - moc elektryczna w stosunku do hipotetycznego ciężaru modelu, w watach na kilogram

 

 Loss - straty elektryczne, w watach

 

 MGbOut - wyjściowa moc mechaniczna silnika z przekładnią (o ile taka jest), w watach

 

 OutPLd - stosunek wyjściowej mocy mechanicznej (jw.) do hipotetycznego ciężaru modelu, w watach na kilogram

 

 Mot Gb Ef - sprawność silnika wraz z przekładnią (o ile taka jest), w procentach

 

 Shaft Ef - ???

 

 Prop rpm - prędkość obrotowa śmigła, w obrotach na minutę

 

 Thrust - ciąg statyczny śmigła, w gramach

 

 PSpd - prędkość dynamiczna strumienia zaśmigłowego (w locie), w metrach na sekundę. Tu niejasność, jakie okoliczności zostały uwzględnione,

            że nie jest ona równa prędkości ciągu statycznego minus prędkość modelu względem powietrza. Czy charakterystyka śmigła -? Czy coś jeszcze być może.

 

 RofC - teoretyczne minimalne ujemne (najwolniejsze opadanie) lub maksymalne dodatnie (najszybsze wznoszenie) wskazanie wariometru, w m/s

 

 Time - teoretyczny czas lotu, w min : sek

 

 

 

 Air Spd - prędkość modelu względem powietrza, w metrach na sekundę

 

 Drag - opór aerodynamiczny modelu, w gramach

 

 Lift - siła nośna indukowana, w gramach

 

 Total Ef - sprawność całkowita zespołu napędowego (silnik x przekładnia x śmigło), w procentach

[AMC]

 
 
 

       
 Nareszcie ...

Silnik D2212 (wym. rdzenia stojana), 1000kV (chyba od multirotora, podwójnie żółty). Zmieniono osadzenie nowego, sztywniejszego i nie krzywego wałka. Wyważono dynamicznie.
Sterownik ESC: RC Timer 30 (40)A , bez BEC-a. Podczas wykonywania pomiarów nie stwierdzono wyczuwalnego wzrostu jego temperatury. Nie używano PWM.
Zasilanie: Li-ion 18650 2200mAh, 25P, liczba S przełączana w miarę potrzeb pomiaru (patrz schemat układu).
Regulacja napięcia ESC: stabilizator szeregowy (patrz schemat układu).
Odbiornik: Hitec Elektron 6.
Obciążenie: śmigło Gunter 4,9x4,3, dwułopatowe, nie wyważane. Inny egzemplarz, niż poprzednio z Permaxem 400 - są różnice, spore...
Temperatura otoczenia: 17,7*C ... 18,3*C
Ciśnienie barometryczne: 997 hPa
Temperaturę silnika mierzono w miejscu konstrukcyjnie do tego przewidzianym termoparą typu K , niepewność wskazań (dawniej: błąd lub uchyb) 1,5*C. Odczytu
dokonywano po zatrzymaniu zespołu, rejestrując najwyższe wskazanie (zanik chłodzenia śmigłem + przepływ ciepła do miejsca pomiaru). Rzeczywista najwyższa
temperatura uzwojenia może być wyższa od wykazanej o co najwyżej 3*C + 0,1 x T_M .

Rozwinięcie przyjętych skrótów i symboli:

U_ESC - napięcie DC na wejściu sterownika BLDC, stabilizowane, w woltach

I_ESC - natężenie prądu pobieranego przez sterownik, w amperach. Prąd spoczynkowy sterownika: 30 mA.

P_ESC - moc elektryczna dostarczana do sterownika, w watach.

n - prędkośc obrotowa śmigła, w obrotach na minutę. Pomiar zdalny fotoelektryczny.

F_T - siła ciągu śmigła, w gramach

M_FM - moment obrotowy obciążenia silnika, w miliniutonometrach

V_AF - Prędkość strumienia zaśmigłowego, w metrach na sekundę. Nie uwidaczniano przy śmigłach małej średnicy z uwagi na wątpliwą wiarygodność takiego pomiaru.

N - moc mechaniczna napędzająca śmigło, w watach

Eff. prop. - efektywność śmigła, w gramach siły ciągu na wat mocy mechanicznej napędzającej (rzeczywistej)

ni_M - sprawność energetyczna silnika, w ułamku dziesiętnym ("ni" z braku greki na klawiaturze)

T_M - temperatura silnika, w stopniach Celsjusza. Opis sposobu pomiaru powyżej.



Lpp                   U_ESC                   I_ESC                   P_ESC                   n                   F_T                   M_FM                   N                   Eff. prop.                   ni_M                   T_M                   Uwagi
                           V                  A                 W            obr/min              G             mNm            W                     G/W                         -                *C

1).                    8,00              0,59             4,72             7400                -                 -                 -                         -                            0                 -          bieg jałowy silnika

2).                  10,00              0,66             6,60             9240                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "

3).                  12,00              0,73             8,76           11080                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "

4).                  14,00              0,80           11,20           12900                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "

5).                  16,00              0,90           14,40           14630                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "

6).                  18,00              0,95           17,10           16640                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "

7).                  20,00              0,96           19,20           18380                -                 -                 -                         -                            0                 -                    "



8).                   6,05              0,90             5,445            5500             27,0            1,5             0,864                31,25                    0,159             -              nie mierzono T_M
                                                                                                                                                                                                                                         (znikomy przyrost)
9)                  . 6,62              1,01             6,686            6000             33,2            2,2             1,38                  24,06                    0,207             -                      "

10).                7,20               1,10             7,92              6500             39,0            3,0             2,04                 19,12                     0,258             -                      "

11).                7,76               1,21             9,39              7000             45,6            3,8             2,79                 16,34                     0,297             -                      "

12).                8,95               1,45           12,98              8000             60,0            5,6             4,69                 12,79                     0,361             -                      "

13).             10,11                1,71           17,29              9000             77,0            7,6             7,16                 10,75                     0,414             -                      "

14).             11,32                2,00           22,64            10000             98,0          10,2           10,68                   9,18                     0,472             -                      "

15).            12,55                 2,31           28,99            11000           121,0          12,8           14,74                   8,21                     0,509             -                      "

16).            13,77                 2,64           36,35            12000           145,6          16,2           20,36                   7,15                     0,560             -                      "

17).            15,05                 3,02           45,45            13000           171,0          19,4           26,41                   6,47                     0,581            24

18).            16,31                 3,38           55,13            14000           200,0          23,0           33,72                   5,93                     0,612            26

19).            17,65                 3,82           67,42            15000           228,0          26,8           42,10                   5,42                     0,624            30


Jak w opisie powyżej, lecz ze śmigłem Gunter 4,9 x 4,3 czterołopatowym, złożonym z dwóch dwułopatowych jw., obróconych o 90* i przesuniętych poosiowo o 6,5mm :

9a).              6,73                1,33             8,96               6000             48               8,1             5,09                   9,43                     0,568             -            nie mierzono T_M

11a).            7,93                1,66           13,164             7000             66             11,0             8,06                   8,19                     0,612             -

12a).            9,13                2,04           18,625             8000             90             14,5           12,147                 7,41                     0,652             -

13a).          10,35                2,45           25,36               9000           116             18,4           17,342                 6,69                     0,684             -

14a).          11,61                2,92           33,90             10000           148             22,2           23,248                 6,37                     0,686             -

15a).          12,92                3,43           44,316           11000           180             27,2           31,332                 5,74                     0,707           25

16a).          14,18                3,92           55,86             12000           216             32,4           40,715                 5,31                     0,729           31

17a).          15,55                4,42           68,73             13000           250             37,0           50,37                   4,96                     0,733           35

18a).          16,92                5,05           85,446           14000           292             42,4           62,162                 4,70                     0,7275         39

19a).          18,27                6,07         110,9               15000           340             48,8           76,655                 4,44                     0,691           46


20).           19,60                 6,35           124,46             16000           380             55,0           92,153                 4,12                     0,740           49        skok sprawności -?

21).            21,2                  7,00           148,4               17000           434             61,6         109,66                   3,96                     0,739           53        

[AMC]

Cd.

napęd jak w #24, lecz śmigło trójłopatowe czeskie (jeszcze chyba czechosłowackie...) 236mm (fot.), wyważane statycznie, następnie dynamicznie w zespole.

 

 

Lpp.           U_ESC               I_ESC                 P_ESC                n                   F_T              V_AF             M_FM               N                Eff.prop.              ni_M                 T_M            uwagi

                     V                    A                     W             obr/min             G               m/s            mNm              W                  G/W                   -                    *C

 

22).           5,59               5,60                31,3                4000             236              9,1              50              20,94             11,27               0,669               43

 

23).           7,43               8,35                62,04              5000             368            11,0              78              40,84               9,01               0,658               56

 

24).           9,77              12,0               117,24              6000             550            13,1             116             72,885             7,55               0,622               68

 

25).         13,15              17,40             228,8                7000             732            14,5             164            120,22              6,09               0,525               92

 

25a).       12,40              17,04             211,3                7000             732            14,5             164            120,22              6,09               0,569               30  -  szybki pomiar po

                                                                                                                                                                                                                                                schłodzeniu silnika           

[AMC]

Gehenna z utracaniem setek pieczołowicie ustawionych cyferek skłoniła mnie do powrotu do metod szkolnych ... 

 

Wykonałem cztery serie (5, 6, 7, 8 -numeracja na górze arkusza) średniej klasy silnika OEM C2836 - średnica zewn. 27,7mm , długość ok.36mm.  W kolejnych seriach obciążałem

go coraz większymi śmigłami - 7x4 , 8x6 ,9x4 , 10x6 tej samej, mało mi znanej firmy F.K , oznakowane "made in W.Germany", sprzed ok. 12 lat. Może Wy coś wiecie o śmigłach tego producenta ?

Jako punkty pomiarowe obrałem dla łatwiejszego porównywania wyników "okrągłe" prędkości obrotowe, zwykle co 1000 obr/min . W serii 8 dodatkowo dla trzech napięć znamiennych dla zasilania 2S , 3S , i 4S .

Jeżeli chodzi o różnice wyników vs. Motocalc, to często przekraczają 50%, co każdy może teraz sam porównać. Dotyczy to także parametrów krytycznych, jak np. straty cieplne w samym silniku, zwłaszcza w wirniku, czego ten model matematyczny chyba wcale nie bierze pod uwagę, choć mógłby. Jednak nie to jest moim zdaniem najistotniejsze, gdyż pomiary ujawniły bardziej interesujące wydarzenia fizyczne, wobec których Motocalc jest całkiem bezradny i m.in. stąd bardzo duże niekiedy rozbieżności pomiędzy modelem matematycznym a rzeczywistością.

 

1). Sprawność energetyczna badanego silnika znacznie spada ze wzrostem jego temperatury, co powoduje nasilanie strat i grozi ucieczką termiczną,

nieodwracalnym uszkodzeniem lub wręcz zniszczeniem silnika.

     Wpływ wzrostu rezystancji uzwojenia i wynikających z niej strat w miedzi nie jest dominujący, co wykazało proste obliczenie. Co innego jest główną przyczyną-     magnesy  słabną ze wzrostem temperatury i to dość znacznie w tym silniku. W innych podobnej jakości, które miałem pod ręką - także, jeszcze bardziej.

    Całkowicie potwierdziła ten fakt prosta próba ciągłego pomiaru rpm na biegu jałowym przy stałym napięciu zasilania i jednoczesnego podgrzewania wirnika  

    powietrzem :

 

 U_ESC = 10,00 V, T_ROT ~~ 30*C : 7920 obr/min

 U_ESC = 10,00 V, T_ROT~~ 60*C : 8340 obr/min

 

Nieobciążony silnik, któremu słabnie pole wzbudzenia, przyspiesza bieg. Tu żródłem tego pola są właśnie magnesy trwałe. Wiadomo, że odporność magnesów neodymowych na temperaturę nie jest dziełem przypadku, lecz materiału i technologii, a w efekcie ma ścisły związek z ceną wykonania. Nie ma się czemu dziwić.

 

Co jest żródłem tego ciepła, podgrzewającego magnesy ? To też dało się wykazać, wcale nie uzwojenie. Silnie pulsujący w magnetowodzie wirnika (tej wirującej tulei,do której od wewnątrz przyklejone są magnesy) strumień magnetyczny indukuje w nim prądy wirowe o znacznej wartości, bo w nie najdroższym silniku wykonany jest on w tani sposób i z taniego technologicznie materiału. Nie mam pewności, czy tuleja ta po nadaniu kształtu została choćby odprężona przez wyżarzenie, co

bardzo poprawiłoby sytuację.

Natomiast mam pewność, że o nieco lepszy materiał o większej rezystywności i mniejszych stratach magnetycznych mogliby się postarać, bo różnica kosztów byłaby niewielka, a różnica jakości spora. 

W wysokiej klasy silnikach magnetowód wirnika wykonuje się z wymienionych powodów jako pakiet z odizolowanych wzajemnie blaszek, a nie jako lity (podobnie jak stojan w omawianym C2836 i innych). Takie wykonanie zwiększa bardzo znacznie wzdłużną oporność rdzenia, co odpowiednio redukuje natężenie pasożytniczych prądów i w efekcie straty z ich tytułu także. Im cieńsze blaszki pakietu, tym sumaryczne straty od prądów wirowych mniejsze. Niektórzy producenci co lepszych silników reklamują swoje wyroby, prezentując obrazki rdzeni spakietowanych z blaszek 0,2mm , co rzeczywiście jest bardzo korzystne. Ale o tulei wirnika nic nie wspominają... Czemu ? Z winy potencjalnych klientów, którzy nie bardzo znają się na silnikach, za to na wadze - tak. Silnik z pakietowanym magnetowodem wirnika byłby nieco cięższy, o kilka gramów, ale też i droższy. Koszt samego wykonania przeciętnego silnika to zwykle 10...20% ceny, jaką zapłaci kupujący, wiemy dlaczego. Więc walka o jak najtańszą produkcję, zwłaszcza przy dużych seriach jest oczywista.

 

Co możemy w tej sytuacji zrobić, jeżeli mamy lepszy pomysł na wydanie trzech czy czterech stówek, niż na AXi , Hackera czy Pulso ?

Co nieco możemy.

cdn.

[AMC]

(cd. do dołączenia do poprzedniego posta)

 

 Należy po prostu zadbać o dobre chłodzenie silnika. Korzystniejsze pod tym względem jest instalowanie silnika wirnikiem ku tyłowi modelu, gdyż prawie wszystkie

 outrunnery wykorzystują wyfrezowania wirnika jako wentylator odśrodkowy, starający się wymusić przepływ powietrza przez wnętrze, wokół uzwojeń stojana.

 Jeśli te wyfrezowania są wykonane poniżej wewnętrznej średnicy osadzenia magnesów - a często tak właśnie jest - to powietrze przepływa tamtędy znacznie wolniej,

 gorzej chłodząc magnesy. Gdy zamontujemy silnik wirnikiem do przodu modelu, to nie dość, że zasysa (a raczej stara się zassać, bo i tak z obszaru o obniżonym

 ciśnieniu to niewiele może) on powietrze, które podgrzane dopiero co wyrzucił, to jeszcze nie bardzo ma co zasysać : jeśli nawet Nasz model ma wloty powietrza

 z przodu, to powietrze wokół silnika wiruje cyklonicznie, wtłaczane bezwładnościowo lotem i zawirowywane samym wirnikiem. W efekcie cały silnik pracuje

 w obszarze obniżonego ciśnienia, co chłodzeniu nie sprzyja.

 

  Sytuację - i Nasz silnik także niekiedy - ratuje wysoki wykładnik potęgi przy wyrażeniu temperatury we wzorze na ilość ciepła emitowanego/odprowadzanego.

  Ta ilość narasta z temperaturą nieproporcjonalnie i bardzo stromo, co w ogóle umożliwia pracę wszystkich niepożądanie grzejących się urządzeń, z nielicznymi

  wyjątkami. Ale to oznacza jedynie możność pracy bez zniszczenia, ale nie zmniejszenie strat cennej w Naszym przypadku energii.

 

 Więc jeżeli mamy ochotę zmniejszyć te straty, to lepiej zainstalować silnik tak, aby kierunki przepływu powietrza : wymuszanego pracą wirnika i tego wskutek napływu

 były zgodne, nie przeciwne. Zwiększy to prędkość opływu grzejących się części silnika, a ona także figuruje we wspomnianym wzorze w istotnym miejscu i udziale.

 

cdn.