بواسطة تشارلز بلوان
تُعد أجهزة دينامومتر أدوات ممتازة لقياس أداء المحركات. ومن خلال تطبيق حمل محكوم على المحرك، يمكن لأجهزة الدينامومتر تحديد عزم دوران المحرك وسرعته الدورانية (دورة في الدقيقة) وقوته.
ولكن هل هذه هي الطريقة الوحيدة للحصول على فهم شامل لأداء المحرك؟
أردنا معرفة ما إذا كان من الممكن رسم خريطة لأداء المحرك دون استخدام دينامومتر فرامل تقليدي، واستخدام منصة دفع بمحرك ومروحة بدلاً من ذلك.
(تنبيه: إنه ممكن بالفعل.)
جدول المحتويات:
-
الإعداد التجريبي
-
خريطة استهلاك طاقة المحرك
-
خريطة كفاءة المحرك
1. الإعداد التجريبي
استخدمنا منصة الدفع فلايت ستاند 15 الخاصة بنا لقياس أداء المحرك من حيث عزم الدوران والسرعة الدورانية والقوة والمزيد.
قمنا بتركيب 6 مراوح مختلفة من علامات تجارية متنوعة على المحرك، واستخدمناها كأحمال لاختبارنا. وكانت أحجامها كما يلي:
-
11 بوصة
-
16 بوصة
-
18 بوصة
-
22 بوصة
-
26 بوصة
-
30 بوصة
الشكل 1: منصة دفع فلايت ستاند مع محرك اختبار ومراوح
صممنا اختباراً متسلسلاً مؤتمتاً بـ 10 زيادات في الخانق من 1150 إلى 2000 ميكروثانية، وأجرينا الاختبار مع كل مروحة.
تم تسجيل البيانات باستخدام برنامج فلايت ستاند، ثم تصديرها إلى تنسيق .CSV.
تم إنشاء خرائط المحرك باستخدام دفتر Google Colab لتنفيذ لغة Python. يمكنك الاطلاع على الكود وإعادة استخدامه باستخدام ملفات بيانات أداء المحرك الخاصة بك. لاستخدام بياناتك الخاصة، ستحتاج إلى استخدام نفس الوحدات وعناوين الأعمدة المستخدمة في الملف المصدر أو تعديل الكود ليتناسب مع الوحدة التي اخترتها.
الشكل 2: اختبار متسلسل مؤتمت في برنامج فلايت ستاند
2. خريطة استهلاك طاقة المحرك
يُعرض أربعة متغيرات في الرسم البياني أدناه. يمثل المحور السيني سرعة الدوران بوحدة دورة في الدقيقة، بينما يمثل المحور الصادي عزم الدوران بوحدة نيوتن متر. يمثل مخطط الكنتور الطاقة المنمذجة. تمثل النقاط نقاط البيانات الحقيقية المقاسة، ويمثل لونها الفرق بين القياس والنموذج.
تم تطبيق متعددة حدود من الدرجة الثالثة على البيانات لنمذجة استهلاك الطاقة الكهربائية. تمثل التوقعات الأقسام الملونة في الرسم البياني، حيث يمثل كل قسم نطاقاً قدره 25 واط.
يمثل لون نقاط البيانات الخطأ بين القيمة المتوقعة للنموذج والقيمة المقاسة للطاقة الكهربائية بالواط. كان الحد الأقصى للخطأ في النموذج 0.8 واط من أصل 150 واط مقاسة، أي 0.5%.
الشكل 3: خريطة استهلاك طاقة المحرك
موصى به لك: تحليل طاقة وكفاءة محرك BLDC
3. خريطة كفاءة المحرك
تم اشتقاق خريطة كفاءة المحرك أدناه من خريطة الطاقة في القسم السابق.
في هذه الخريطة، يمثل كل قسم ملون كفاءة المحرك المتوقعة بنسبة مئوية، حيث يشغل كل قسم نطاقاً قدره 2%.
عند الكفاءات المنخفضة جداً، <50%، وصل الخطأ في القياس إلى 3 نقاط مئوية، وهو أمر متوقع لأن الطاقة المقاسة وعزم الدوران منخفضان جداً في تلك النطاقات. وعند الكفاءات الأعلى التي يعمل عندها المحرك عادةً أثناء الطيران، كان الخطأ أقل بكثير، <1 نقطة مئوية للكفاءات التي تتراوح من 74-86%.
الشكل 4: خريطة كفاءة المحرك
4. التحقق من صحة النموذج
عند إنشاء نماذج الأداء، تم استبعاد مروحة 18 بوصة عمداً من مجموعة البيانات للتحقق من دقة النموذج باستخدام بيانات اختبار مستقلة.
تم تطوير النموذج باستخدام قياسات المراوح الخمسة الأخرى، ثم استُخدم للتنبؤ بأداء المحرك عند نقاط التشغيل المقاسة باستخدام مروحة 18 بوصة. تمت مقارنة القيم المتوقعة بالقياسات الفعلية لتحديد مدى دقة تمثيل النموذج للسلوك الفيزيائي للمحرك، بدلاً من مجرد ملاءمة البيانات المستخدمة في تطويره.
تساعد هذه الطريقة أيضاً في تحديد فرط الملاءمة المحتمل، حيث يتلاءم النموذج مع مجموعة البيانات الأصلية بشكل جيد ولكنه يفشل في التنبؤ بدقة بالقياسات الجديدة.
بما أن مروحة 18 بوصة تقع ضمن نطاق أحجام المراوح المستخدمة في تطوير النموذج، فإن هذا الاختبار يقيم قدرته على التنبؤ بأداء المحرك بين ظروف التشغيل المعروفة. أظهرت النتائج أن كفاءة المحرك المتوقعة اختلفت عن القيم المقاسة بأقل من 1 نقطة مئوية عبر معظم النطاق المختبر.
يوضح الشكل أدناه خريطة استهلاك طاقة المحرك مع إضافة نقاط البيانات المقاسة من مروحة 18 بوصة للمقارنة.
الشكل 5: خريطة استهلاك طاقة المحرك مع إضافة نقاط البيانات من المروحة السادسة (18 بوصة).
الخلاصة
باختصار، من الممكن بالفعل رسم خرائط طاقة وكفاءة المحرك دون استخدام دينامومتر فرامل تقليدي. لقد تمكنا من استخدام البيانات من منصة دفع فلايت ستاند الخاصة بنا ومتعددة حدود من الدرجة الثالثة لنمذجة استهلاك طاقة المحرك وكفاءته، وإنشاء خرائط للتنبؤ بالأداء في التكوينات التي لم تُختبر بعد.
لمعرفة المزيد عن توصيف المحرك، اطّلع على مقالنا حول كيفية وسبب قياس عزم دوران المحرك