Авторка — Лорен Нейґел
Багато виробників електродвигунів обіцяють вражаючий ККД — до 95% і навіть вище.
Цифри в даташиті вражають, але чи відповідають їм реальні значення?
Ми дослідили дані ККД двигунів, щоб відповісти на запитання: який середній ККД електродвигуна?
Галузевих стандартів випробування та представлення характеристик двигунів немає, тому порівняти виробників під час вибору майже неможливо.
Саме тому ми наполегливо радимо самостійно випробовувати двигуни: це дає змогу визначити їхні реальні характеристики й обрати найкращий для вашої конструкції.
У цій статті розглянемо:
- Як ми визначали середній ККД двигунів
- Обмеження дослідження
- Середній ККД електродвигуна: що показують дані
Дізнайтеся, як Inspired Flight визначила свій найпотужніший двигун завдяки ретельним випробуванням.
1. Як ми визначали середній ККД двигунів
Окрім випробувального обладнання, ми пропонуємо безкоштовну онлайн-базу даних характеристик двигунів.
Ці дані зібрали й завантажили користувачі наших стендів для випробування електродвигунів.
Стенди збирають дані про тягу, крутний момент, оберти, струм, напругу, електричну й механічну потужність, спільний ККД двигуна та ESC, ефективність пропелера й загальну ефективність рушійної системи.
Перегляньте формули, за якими визначають ці показники.
На момент написання статті база містила дані спільного ККД двигуна та ESC для 48 різних двигунів. Формуючи вибірку, ми ретельно врахували дублікати й випробування з відсутніми даними.
Після формування списку ми розглянули дані кожного двигуна. Для деяких було проведено лише одне випробування, а для інших — до 22.
Для кожного двигуна ми розглянули всі доступні точки даних і використали в аналізі найбільше спостережуване значення ККД.
Наприклад, для наведеного нижче двигуна було доступно 8 випробувань. Для аналізу ми взяли найбільший спостережуваний ККД серед усіх випробувань, позначений синьою стрілкою. Важливо розуміти, що через використання різних пропелерів прикладений крутний момент відрізнявся. ККД двигуна є функцією частоти обертання та крутного моменту.
Ми не можемо гарантувати, що це справжній максимальний ККД двигуна, але це найвище значення, яке можна спостерігати за доступними даними. Через це та інші обмеження ми не називатимемо моделі включених двигунів.
Читайте також: Аналіз потужності та ККД безщіткового двигуна (стаття)
В аналізі ми порівняли ККД усіх двигунів, а також підгруп за масою. Межі підгруп обрали так, щоб кількість двигунів була приблизно однаковою й водночас у кожній групі були двигуни порівнянного розміру.
Між передостанньою та останньою групами є розрив за масою, щоб наочніше відобразити розміри включених двигунів.
2. Обмеження дослідження
Перш ніж перейти до результатів, розгляньмо кілька обмежень дослідження.
Це суто спостережне дослідження, засноване на доступних даних нашої бази. Ми не контролювали умови або тип випробувань і не можемо стверджувати, що завантажені дані відображають типові робочі характеристики двигунів.
Тому це не точне порівняння. Ми зібрали ці дані для загального ознайомлення та огляду питання.
Нижче наведено кілька обмежень цього дослідження, хоча існують й інші.
Обмеження дослідження:
- Наші стенди вимірюють спільний ККД двигуна та ESC, тож саме його використано для порівняння. З експериментів відомо, що показник того самого двигуна за заданих обертів і крутного моменту може відрізнятися на 10% залежно від типу й налаштувань ESC.
- Дані надані користувачами, тому ми не контролювали умови випробувань.
- Для одних двигунів було доступно кілька випробувань, для інших — лише одне, тому кількість зразків не була однаковою.
- Випробування не мали на меті знайти найбільший можливий ККД, тому максимальний ККД деяких двигунів може бути недооцінений.
- Для більшості двигунів дані маси були вказані, але в кількох випробуваннях їх бракувало. У цих випадках ми знайшли масу за наданою інформацією про двигун і додали її. Ми використовували масу без проводів, але не можемо підтвердити, чи враховано масу проводів у вже наявних даних.
3. Середній ККД електродвигуна: що показують дані
Спочатку розгляньмо дані ККД усієї групи.
Середнє значення максимального ККД для всіх 48 електродвигунів у дослідженні становить: 77,64%.
З огляду на те, що дані збирали не для пошуку максимального ККД, це непоганий результат. Ймовірно, він є корисною оцінкою типового ККД електродвигуна.
Найвище спостережуване максимальне значення — 97,61%, найнижче — 55,79%.
Наведений нижче графік показує розподіл максимального ККД:
Після поділу на групи за масою отримуємо такі результати:
Категорія маси (г) | Середній максимальний ККД |
3,9 - 30,0 | 70,80% |
30,1 - 36,0 | 67,63% |
36,1 - 70,0 | 79,98% |
70,1 - 159,0 | 82,78% |
159,1 - 255,0 | 84,13% |
1093,0 - 5130,0 | 85,42% |
Видно загальну тенденцію до зростання ККД зі збільшенням маси двигуна.
Якщо окремо показати всі точки даних, тенденція подібна, хоча значення розсіяні:
Ці графіки показують, що загалом зі збільшенням розміру двигуна можна очікувати вищого максимального ККД. Це відповідає поширеним у галузі уявленням.
Також видно широкий діапазон ККД двигунів однакового розміру, особливо за маси близько 30–50 г.
Для більшості БПЛА заміна двигуна з нижньої частини діапазону на двигун із верхньої може збільшити тривалість польоту на кілька хвилин.
Висновок
За результатами цього спостережного дослідження:
- У середньому більші двигуни мають вищий ККД
- Двигуни однакового розміру мають широкий діапазон ККД
- Значення ККД суттєво залежать від умов застосування й вибору пропелера
- Випробовувати власні двигуни дуже важливо
Якщо ви хочете розпочати випробування електродвигунів і пропелерів, ознайомтеся з нашим обладнанням:
- Series 1585 — вимірює тягу до 5 кгс / крутний момент до 2 Н·м
- Flight Stand 15 — вимірює тягу до 15 кгс / крутний момент до 8 Н·м
- Flight Stand 50 — вимірює тягу до 50 кгс / крутний момент до 30 Н·м
- Flight Stand 150 — вимірює тягу до 150 кгс / крутний момент до 150 Н·м
- Flight Stand 500 — вимірює тягу до 500 кгс / крутний момент до 1 500 Н·м