Як виміряти ККД безколекторного двигуна та ефективність пропелера

Автор: Charles Blouin

Відеоурок

Випробування двигунів і пропелерів — найефективніший спосіб оцінити характеристики та знайти можливості поліпшення конструкції.

Вони дають змогу підвищити ефективність, а отже — ресурс, час польоту, вантажопідйомність та інші характеристики.

У цій статті розглянемо, як і навіщо випробовувати двигуни та пропелери.

Зміст

1. Навіщо випробовувати двигуни та пропелери
2. Які параметри потрібно вимірювати?
1. ККД безколекторного двигуна
2. Ефективність пропелера
3. Загальна ефективність системи
3. Як випробовувати двигуни та пропелери на стенді тяги
4. Порядок статичних випробувань
5. Як використовувати результати вимірювання ефективності

Навіщо випробовувати двигуни та пропелери

Спочатку визначте власні потреби або потреби кінцевого користувача. Це допоможе обрати параметри для оптимізації. 

• Потрібен довший політ для тривалішої безперервної зйомки?
• Потрібно перевозити більше корисного навантаження?
• Потрібні більша тяга та потужність для швидшого польоту або кращої керованості за сильного вітру?
• Є проблеми з перегріванням, а застосування потребує мінімальної частоти відмов?

Остаточний вибір силової установки залежить від планера, корисного навантаження та конкретного застосування.

Які параметри потрібно вимірювати?

ККД безколекторного двигуна

Рисунок 1. Безколекторний двигун NTM propdrive 35-30 і вуглепластиковий пропелер Quantum 13-4

Щоб повністю визначити характеристики двигуна та його ККД, потрібно виміряти такі параметри.

• Напруга (В)
• Струм (А)
• Рівень газу (%)
• Навантаження двигуна, або крутний момент (Н·м)
• Частота обертання (об/хв)

• Механічна потужність (Вт) = крутний момент (Н·м) × кутова швидкість (рад/с)
• Електрична потужність (Вт) = напруга (В) × струм (А)
• ККД двигуна = механічна потужність / електрична потужність

Частота обертання залежить від газу (%) та навантаження, або крутного моменту (Н·м). Для повної характеристики випробуйте двигун за різних напруг і навантажень. Газ змінюється регулятором, а навантаження — типом і розміром пропелера.

Читайте також: Як працюють безколекторні двигуни та як їх випробовувати

Ефективність пропелера

Для визначення ефективності пропелера потрібно виміряти:

• Частота обертання (об/хв)
• Крутний момент (Н·м)
• Тяга (г)

Ці параметри дають змогу розрахувати:

• Механічна потужність (Вт) = крутний момент (Н·м) × кутова швидкість (рад/с) ← така сама, як для двигуна
• Ефективність пропелера (г/Вт) = тяга (г) / механічна потужність (Вт)

Механічна потужність двигуна й пропелера однакова: уся вихідна механічна потужність двигуна передається пропелеру, безпосередньо з’єднаному з валом.

Загальна ефективність системи

Загальна ефективність залежить від узгодженості двигуна й пропелера. Навіть високоефективні окремо компоненти можуть утворювати неефективну систему, якщо погано підходять один одному.

Оскільки ці компоненти з’єднані спільним валом, загальна ефективність визначається так:

Ефективність системи (г/Вт) = ефективність пропелера (г/Вт) × ККД двигуна

Ефективність системи виражається в грамах тяги на ват електричної потужності. Заміна двигуна, пропелера або навіть ESC змінює ефективність системи.

Значення ефективності дійсне лише для певного керувального входу та механічного навантаження. Для повної характеристики потрібно випробувати двигун у діапазоні команд керування з різними пропелерами, які змінюють навантаження.

Як випробовувати двигуни та пропелери на стенді тяги

Для визначення ККД двигуна й ефективності пропелера одночасно записуйте напругу, струм, крутний момент, тягу та частоту обертання. За ними розраховують електричну й механічну потужність, а потім — ефективність.

Найпростіше та найефективніше проводити такі випробування на стенді тяги — обладнанні, спеціально призначеному для визначення характеристик двигунів і пропелерів.

Ми використали стенд тяги Series 1585 (5 кгс / 2 Н·м) для збирання наведених нижче даних. Також пропонуємо стенди з діапазоном вимірювання до 500 кгс.

Читайте також: Навіщо випробовувати двигуни та пропелери дрона

Порядок статичних випробувань

У цій статті розглядаємо лише статичні випробування, без динамічних випробувань із кутовим прискоренням, оцінюванням моменту зупинки тощо.

Перед випробуваннями рекомендуємо:

• Установити пропелер у штовхальній конфігурації, щоб зменшити вплив монтажної пластини двигуна.
• Забезпечити достатню відстань між пропелером та іншими предметами для уникнення впливу близьких поверхонь.
• Ужити всіх заходів безпеки для захисту людей у приміщенні.
• Налаштувати автоматичне вимкнення стенда, якщо будь-який параметр перевищить безпечну межу.

Просте й ефективне випробування — підвищувати газ невеликими кроками та записувати дані після кожного. Перед вимірюванням дайте системі кілька секунд для стабілізації.

У відео на початку статті показано ручну зміну газу від 0 до 100% за 10 кроків. Цю процедуру також можна виконати автоматичним випробуванням у RCbenchmark, яке описано в іншому відеоуроці.

Читайте також: Як збалансувати безколекторний двигун

Як використовувати результати вимірювання ефективності

Вихідні дані можна аналізувати в будь-якій програмі для побудови графіків. Нижче наведено графік за даними CSV-файлу, посилання на який є вище.

Ми порівняли тягу та механічну ефективність пропелера, щоб визначити найефективніші робочі режими силової установки.

Потім можна порівняти ці дані з результатами випробувань інших пропелерів за тим самим протоколом, щоб знайти найефективніший для вашого двигуна.

Інші приклади аналізу цих даних див. у наших статтях про випробування двигунів і пропелерів.

Висновок