18-10-2020
[Το παρακάτω άρθρο είναι από αντίστοιχο άρθρο της Ομοσπονδίας Αερομοντελισμού της Νέας Ζηλανδίας, στο οποίο έγινε μετάφραση και κάποιες μικρές αλλαγές]
Στα σημερινά ΚΙΤ μοντέλλων ARF υπάρχει ως επί το πλείστον και ένα ΚΙΤ μετατροπής του μοντέλλου σε ηλεκτρικό, ενώ ο κατασκευαστής προτείνει και τον κατάλληλο συνδυασμό ηλεκτρικού μοτέρ, έλικας και μπατταρίας.
Τι γίνεται όμως αν αποφασίσουμε να μετατρέψουμε κάποιο υπάρχον μοντέλλο σε ηλεκτρικό; Ή αν κατασκευάσουμε ένα μοντέλλο εκ του μηδενός (scratch built) ή ακόμη εάν είναι ΚΙΤ αλλά δεν υπάρχουν οδηγίες για την χρήση του ως ηλεκτρικού;
Η
πρώτη προσέγγιση είναι, αν γνωρίζουμε το μέγεθος του θερμικού μοτέρ που
είναι κατάλληλο για το αεροπλάνο και θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε
ηλεκτρικό. Υπάρχει ένας χονδρικός κανόνας που λέει ότι, για τις 2-χρονες
μηχανές, για κάθε κυβική ίντσα (δηλαδή 100-άρα μηχανή) θερμικού μοτέρ
αντιστοιχούν 2000 Watt ηλεκτρικής ισχύος εισόδου για το ηλεκτρικό μοτέρ,
ενώ για τις 4-χρονες για κάθε κυβική ίντσα αντιστοιχούν 1500 Watts.
Δηλαδή 100-άρα μηχανή = 2000 Watts ισχύς εισόδου ηλεκτρικού μοτέρ
Στον παρακάτω πίνακα υπάρχουν οι αντιστοιχίες για τις συνηθέστερες δίχρονες θερμικές μηχανές με τα κατάλληλα ηλεκτρικά μοτέρ:
| Δίχρονες μηχανές | ||
| Μέγεθος μηχανής | Κυβισμός [ cm3] | Ισχύς εισόδου ηλεκτρικού μοτέρ [Watt] |
| 25-άρα | 4,1 | 500 |
| 40-άρα | 6,5 | 800 |
| 46-άρα | 7,5 | 920 |
| 60-άρα | 9,8 | 1200 |
| 90-άρα | 14,7 | 1800 |
Και στον επόμενο πίνακα, οι αντιστοιχίες για τις τετράχρονες μηχανές:
| Τετράχρονες μηχανές | ||
| Μέγεθος μηχανής | Κυβισμός [cm3] | Ισχύς εισόδου ηλεκτρικού μοτέρ [Watt] |
| 40-άρα | 6,5 | 600 |
| 46-άρα | 7,5 | 690 |
| 60-άρα | 9,8 | 900 |
| 90-άρα | 14,7 | 1350 |
| 120-άρα | 19,7 | 1800 |
Η δεύτερη μέθοδος είναι αν γνωρίζουμε το είδος του μοντέλλου (π.χ. εκπαιδευτικό, 3-D κλπ.) και το βάρος του, οπότε χρησιμοποιούμε τον επόμενο πίνακα. Είναι η λεγόμενη "Watts/κιλό" μέθοδος:
| Τύπος μοντέλλου | Χαρακτηριστικά | Watts ανά κιλό |
| Μοτοανεμόπτερα | Ανεμόπτερα με ηλεκτρικό μοτέρ για να τα ανεβάσει στο επιθυμητό ύψος. Χαμηλή πτερυγική φόρτιση | 110-130 W/kgr |
| Εκπαιδευτικά | Χαμηλή πτερυγική φόρτιση. Επίπεδη αεροτομή από κάτω, με μεγάλη άντωση. Την περισσότερη ώρα πετούν με μισό γκάζι | 150-180 W/kgr |
| Μοντέλλα SPORT | Πιο προχωρημένα ακροβατικά μοντέλλα | 220-250 W/kgr |
| Μοντέλλα PATTERN και πολεμικά | Αν και πρόκειται για μοντέλλα διαφορετικής κατηγορίας, οι απαιτήσεις σε ισχύ είναι παρόμοιες. Τα PATTERN χρειάζονται ισχύ για εντελώς ευθείες πτήσεις και μεγάλα LOOP, ενώ τα πολεμικά έχουν μεγάλη πτερυγική φόρτιση, ιδιαίτερα αν έχουν ανασυρόμενα σκέλη | 300-350 W/kgr |
| Ακροβατικά 3-D | Ο λόγος Thust (έλξη) προς βάρος είναι 2:1. Μπορούν να κάνουν HOVER με μισό γκάζι | 450-480 W/kgr |
| Αγωνιστικά PYLON | Η μεγάλη ταχύτητα απαιτεί και μεγάλη ισχύ. Ο αγώνας έχει μικρή διάρκεια και η μπατταρία έχει χωρητικότητα αρκετή μόνο για τον αγώνα | 550 W/Kgr και άνω |
Επιλογή μοτέρ
Τα ηλεκτρικά μοτέρ έχουν μεγαλύτερη ροπή και γυρίζουν μεγαλύτερες έλικες από τα αντίστοιχα τους μοτέρ Glow. Εφόσον η σχεδίαση του μοντέλλου περιορίζει την μέγιστη διάμετρο της έλικας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας την παράμετρο Kv του μοτέρ.
Μερικοί κατασκευαστές ονομάζουν τα μοτέρ τους με το ανάλογο Glow μοτέρ, που αντιστοιχεί στην ίδια ισχύ, π.χ. ηλεκτρικό μοτέρ "25-άρι", με ισχύ ανάλογη μιας 25-άρας Glow μηχανής. Ωστόσο αυτή την ισχύ μπορούν να την πετύχουν μόνο με ένα συγκεκριμένο αριθμό στοιχείων μπατταρίας και με 2-3 συγκεκριμένα μεγέθη έλικας.
Τα
ηλεκτρικά μοτέρ είναι κατ ουσίαν μηχανές "σταθερών στροφών" και
προσπαθούν να κρατήσουν τον ίδιο περίπου αριθμό στροφών ανεξαρτήτως του
φορτίου (έλικας). Η επιλογή λοιπόν της έλικας είναι πολύ σημαντική,
γιατί είναι αυτή που θα "τραβήξει" την ισχύ του μοτέρ.
Ας πάρουμε για παράδειγμα ένα "40-άρι" ηλεκτρικό μοτέρ (δηλαδή αντίστοιχο μιας 40-άρας Glow μηχανής) που με μια 4-σελη Li-Po μπατταρία (11.1 Volts) και έλικα 12x8 θα τραβήξει 800 Watt ισχύος. Το Kv του μοτέρ είναι 1000, δηλαδή περίπου 11.000 στροφές. Η μηχανή Glow όμως, χρειάζεται έλικα 10x6 γιατί θα δουλέψει σε περισσότερες στροφές. Αν χρησιμοποιούσαμε αυτή την έλικα, την 10x6 στο ηλεκτρικό μοτέρ, θα τραβούσε μόνο 400 Watt ισχύ.
Αν πάλι χρησιμοποιήσουμε πολύ μεγάλη έλικα στο ηλεκτρικό μοτέρ, ναι μεν θα μεγαλώσει η ισχύς, αλλά θα τραβήξει πολύ μεγάλο ρεύμα, θα υπερθερμανθεί και ενδεχομένως θα καεί. Είναι λοιπόν μια πολύ καλή ιδέα να χρησιμοποιούμε πάντα ένα βαττόμετρο ώστε να ελέγχουμε το ρεύμα (και την ισχύ) του μοτέρ, αλλά και του ρυθμιστή στροφών (Esc), που πρέπει να βρίσκονται μέσα στα όρια που δίνει ο κατασκευαστής.
Ένα παράδειγμα επιλογής του κατάλληλου μοτέρ:
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα Sport μοντέλλο που ζυγίζει περίπου 2,3 κιλά και ο κατασκευαστής το δίνει για .35 - .40 Glow κινητήρα. Η απόσταση του άξονα της μηχανής από το έδαφος επιτρέπει το μέγιστο έλικα με διάμετρο το πολύ 11" και θέλουμε το αεροπλάνο να εκτελεί γρήγορα ακροβατικά (pattern).
Από τον παραπάνω πίνακα "Watts/κιλό" βρίσκουμε ότι για ένα μοντέλλο pattern αυτού του βάρους, η απαιτούμενη ισχύς είναι 700-800 Watt. Ας επιλέξουμε λοιπόν ένα ηλεκτρικό μοτέρ με ισχύ περίπου 750 Watt. Προτού όμως προχωρήσουμε στην επιλογή του μοτέρ, ας δούμε τι μπατταρία χρειαζόμαστε.
Όπως θα θυμάστε από την φυσική (ηλεκτρισμό)
Ισχύς = Τάση x Ένταση
Watts = Volts x Amperes
Αν χρησιμοποιήσουμε μια μπατταρία Li-Po των 3 στοιχείων, δηλαδή 11,1 Volts υπό φορτίο (3x3.7 =11.1), θα πρέπει να "τραβήξουμε" ρεύμα 67,6 Amperes ώστε να πάρουμε την ισχύ των 800 Watts.
750 Watts = 11.1 Volts x 67.6 Amperes
Για να έχουμε όμως καλή απόδοση του συστήματος, θα πρέπει ο λόγος Ρεύμα/Τάση (Amperes/Volts) να είναι μεταξύ 3 και 5, δείτε τον παρακάτω πίνακα:
| Αριθμός στοιχείων μπατταρίας Li-Po | Volts | Amperes | Watts | Λόγος Amperes/Volts |
| 3 | 11.1 | 67.6 | 750 | 6.09 |
| 4 | 14.8 | 50.7 | 750 | 3.42 |
Από τον πίνακα αυτόν λοιπόν βλέπουμε ότι θα πρέπει να επιλέξουμε μια μπατταρία των 4 στοιχείων, 14.8 Volts.
Σε
αυτό το σημείο όμως, η ελλιπής πληροφόρηση από τους περισσότερους
κατασκευαστές ηλεκτρικών μοτέρ, είναι ένα πρόβλημα. Για την περίπτωση
μας θα επιλέξουμε ένα μοτέρ Cobra της εταιρείας "Ιnnov8tive design"
Θα
επιλέξουμε όμως ένα μοτέρ με μέγιστο ρεύμα μεγαλύτερο κατά 10%-20% από αυτό που
χρειαζόμαστε, από αυτό που προέκυψε από τους υπολογισμούς μας, δηλαδή
ένα μοτέρ με μέγιστο ρεύμα 60 Amperes και το οποίο πρέπει να έχει μια
τέτοια τιμή Kv, που να μας δώσει ισχύ 750 Watts με έλικα 11".
Το μοτέρ Cobra C3520/10 980Kv έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
Η εταιρεία επίσης μας δίνει τον ακόλουθο πίνακα των επιδόσεων του μοτέρ ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη έλικα
Από τον πίνακα αυτό βλέπουμε ότι η έλικα APC 11x7 μας δίνει 775,5 Watts, με 4-σελη μπατταρία και ρεύμα 52.4 Amperes.
Επιλογή του ρυθμιστή στροφών (Esc):
Αυτό είναι σχετικά απλό, επιλέγουμε τον ρυθμιστή του οποίου το ρεύμα είναι ίσο ή μεγαλύτερο από το ρεύμα του μοτέρ. Επιλέγοντας ένα ρυθμιστή με μεγαλύτερο ρεύμα από αυτό του μοτέρ, εξασφαλίζουμε ότι δεν θα υπερθερμαίνεται. Θα πρέπει να ελέγξουμε επίσης ότι μπορεί να δουλέψει και με την τάση της μπατταρίας, δηλαδή η ονομαστική του τάση θα πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη από την τάση της μπατταρίας.
Πως επηρεάζει το stick του THROTTLE στον πομπό την ισχύ του ηλεκτρικού μοτέρ:
Θα μπορούσαμε να πούμε, ότι χονδρικά η ισχύς είναι η δύναμη εις το τετράγωνο της ρύθμισης του stick, δείτε καλύτερα τον επόμενο πίνακα για να το καταλάβετε
| Ρύθμιση stick του THROTTLE % | Υπολογισμός | Ισχύς |
| 100% (full) | 100% | |
| 90% | 0,9x90% | 80% |
| 70% | 0,7x70% | 50% |
| 50% | 0,5x50% | 25% |
Από τον πίνακα αυτό λοιπόν καταλαβαίνουμε ότι αν πετάμε με το stick του THROTTLE στο 70%, μπορούμε να πετάξουμε τον διπλάσιο χρόνο απ ότι στο full και αν πετάμε με το stick στο 50% μπορούμε να πετάξουμε τον τετραπλάσιο χρόνο.
Για το παράδειγμα του μοντέλλου που αναφέραμε στην αρχή, θα υποθέσουμε ότι κάποιες φορές πετάμε στο full και κάποιες χαμηλότερα, στο 50%. Ας πάρουμε έναν μέσο όρο 66%. Το 66% των 52,4 Amperes που είδαμε στον πίνακα των ελίκων, μας κάνει 34,6 Amperes κατά μέσο όρο, ας το στρογγυλέψουμε στα 35 Amperes.
Προσδιορισμός της χωρητικότητας της μπατταρίας:
Η χωρητικότητα "C" μιας μπατταρίας είναι τα mAh που αναγράφει επάνω της, π.χ. 2200 mAh.
- Εάν εκφορτίσουμε τη μπατταρία με ρεύμα 2200 mA (1C), θα διαρκέσει για μια ώρα (60 λεπτά).
- Εάν την εκφορτίσουμε με ρεύμα 2C, δηλαδή 4400 mA, θα διαρκέσει για μισή ώρα (30 λεπτά).
- Εάν την εκφορτίσουμε με ρεύμα 3 C, δηλαδή 6600 mA, θα διαρκέσει για 1/3 ώρα, δηλαδή 20 λεπτά.
Να υπενθυμίσουμε ότι 1000 mA = 1 Ampere.
Εννοείται ότι ποτέ δεν εκφορτίζουμε μια μπατταρία μέχρι να "πατώσει" τελείως, για να μη χαλάσει, ας πούμε ότι την εκφορτίζουμε μέχρι το 20% της χωρητικότητας της.
Ας υποθέσουμε τώρα ότι θέλουμε να πετάμε το μοντέλλο μας για 7 λεπτά. Το μέσο ρεύμα όπως είπαμε είναι 35 Αμπέρ. Άρα η χωρητικότητα είναι
(7/60)h x35 A = 4 Ah περίπου, δηλαδή 4000 mAh. Θα επιλέξουμε λοιπόν, σύμφωνα με τα προηγούμενα, μια μπατταρία με χωρητικότητα κατά 20% μεγαλύτερη, δηλαδή
1,2 x 4000 = 4.800 mAh, επιλέγουμε μια των 5000 mAh.
Εδώ θα ήθελα εγώ να παρατηρήσω ότι συνήθως -και εφόσον δεν επιλέξουμε ένα μοτέρ κάποιας καλής (άρα και ακριβής) εταιρείας- δεν έχουμε όλα αυτά τα στοιχεία που έχουν τα μοτέρ Cobra, με τις επιδόσεις του μοτέρ ανάλογα με την έλικα κλπ.
Ο κατασκευαστής μας δίνει ρεύμα και τάση (μερικές φορές και ισχύ) του μοτέρ για μια-δυο έλικες. Άρα με βάση αυτά τα στοιχεία θα πρέπει να κάνουμε και εμείς την επιλογή μας. Αν η έλικα που μας προτείνει έχει μεγάλη διάμετρο και πιθανό να ακουμπάει στο έδαφος, θα ψάξουμε για άλλο μοτέρ, πιο πολύστροφο (με μεγαλύτερο Kv δηλαδή) ώστε να "φοράει" μικρότερης διαμέτρου έλικα. Ή μπορούμε να δοκιμάσουμε με έλικα μικρότερης διαμέτρου και μεγαλύτερου βήματος, ώστε να έχουμε πάλι τα επιθυμητά Amperes και ισχύ.
Γ. Καρασούλας