Электродвигатель – это «Кот в мешке».
Беримор! 38.3780, это что?
Ксива!, Сэр!
Без электромотора, электровелосипед ни куда не поедет. Что отечественное может сгодиться для привода. Чтобы было не дефицитно! Чтобы работало от стартёрной батареи 12 вольт. Стартёры пока отметаем – слишком серьёзную надо выполнить переделку, чтобы на нём ездить. Все военные эксклюзивы попадают под дефицит. Из общедоступных изделий Автопрома, самые мощные электродвигатели стоят на вентиляторах обдува радиатора. Это Жигулёвский МЭ-272, мощностью 110 ватт. Он давно известен и широко применяется любителями для привода детских автомобилей и инвалидных кресел. На Волжанке применяется более мощный его собрат фирмы BOSCH, марка его GPB 0-130-303-204. При 12 вольтах он выдаёт мощность 180 ватт 3000 об/мин. Максимальный ток 30 ампер, ток без нагрузки 6 ампер. И, наконец, самый мощный, что мне удалось найти – электровентилятор Газели 3111 с двигателем ЗМЗ - 406. Этот эксклюзив такой мощности, что она на нём даже не написана. Марка электродвигателя 38.3780. На упаковочной коробке написано, что электровентилятор развивает мощность 250 ватт при 2700 об/мин.
На сарае тоже кое-что написано, а в нём дрова лежат! Все эти надписи – большой подвох для потребителя. Всё начинается с 12 вольт. Батарея на 12 вольт! А вы проверяли, сколько там вольт на самом деле? Померяйте! Ну? Как?! На моей батарее, отобранной у бомжей, находящейся без подзарядки уже месяц, 12,8 вольта! А если немного подзарядить, будет 13,5 вольта. Только это будет не напряжение, а ЭДС. Что это такое, и чем батарея отличается от аккумулятора, поговорим как-нибудь в другой раз. Бортовая сеть автомобиля 12 вольт – брехня! Когда мотор работает и батарея подзаряжается, напряжение должно быть выше, чем на батарее! Регулятор напряжения на генераторе настроен на 14,5 вольт!
Вот и первый подвох – 250 ватт, это от батареи или от генератора?
Второй подвох – 250 ватт, это электрическая или механическая мощность?
Кто ответит на эти вопросы? Конечно изготовитель! На коробке написано: «Россия, 248017, г. Калуга, ул. Азаровская, 18 тел. (4842) 51 – 13 – 90.
На сарае тоже написано… Короче, звонил я по этому телефону, нет там никого! Это третий подвох!
А что по этому поводу знает великий и могучий ИНТЕРНЕТ!?
Набираю в поисковике 38.3780, нажимаю найти… Первая же ссылка на Калужский АВТОКОМ. Там, прекрасная фотография электровентилятора.
Данные уже другие – 230 ватт при 2800 об/мин. А главное есть телефоны: (4842) 53 – 15 – 03, 55 – 06 – 79, 53 – 10 – 44. ОАО «Калужский завод автомобильного электрооборудования». Может здесь мне скажут правду?
На заборе… Один из телефонов, оказался домашним. Два других сработали, там переадресовка, переподключение, но улов есть!
51 - 05 – 20 главный инженер Вахарев Владимир Валентинович.
55 – 05 – 52 главный конструктор Романов Олег Истрович.
76 – 91 – 95 зам главного конструктора Мельников Павел Владимирович.
Может эта могучая троица мне что-нибудь расскажет!? Или выдаст по факсу, скажем, график тяговых характеристик!
Размечтался! Раскатал губищу! Тяговые характеристики ему подавай! Это же Россия! Не умеют у нас с потребителем работать! Не умеют у нас товар лицом показать и рекламу создать!
Ни хрена от этой троици не добился! А узнав, что я частное лицо, мне настоятельно рекомендовали, не применять электродвигатель вентилятора не по назначению! Россия! Бл…!!! Это четвёртый подвох!
Впрочем, подвох ли это? Раз могучая троица так упорно от меня отпихивалась, значит, есть на то причина! Если мыслить логически, то – велик ли это движок, чтобы с него тяговую характеристику снимать! А раз снимали и такое разночтение по мощности, что на двигателе она не указана, то есть ли она вообще? Может, хотели как лучше, а получили – как всегда! Поэтому и молчат, поэтому и отпихиваются.
Раз так, придётся городить тормозной стенд и снимать тяговые характеристики самому. Дело это, на первый взгляд, невозможное. Но если есть голова с мозгами, а не опилками, если на любой вопрос «КАК?» есть ответ «ТАК!», то, почему бы не попробовать! Двигатель то всё равно есть! Пусть он на все вопросы и отвечает! К примеру, как он вообще устроен?
Трубчатым ключом на 13 отворачиваю единственную гайку во всём моторе и снимаю крыльчатку. Она стопорится от прокручивания на валу круглым штифтом – типичная конструкция для радиаторных электровентиляторов. Ступица вентилятора прикрывала отверстия в передней крышке мотора. Назначение отверстий непонятно, в качестве вентиляционных они не пригодны. Вал двигателя слишком короткий и тонкий – закрепить, что либо на нём будет проблематично. Чтобы вскрыть двигатель, отгибаю шесть ламелей, которыми крепится задняя крышка. Под крышкой стеклотекстолитовая вставка щёточного узла. Щёток четыре, соединение параллельное. Значит, если соединить последовательно, двигатель будет на 24 вольта. Оригинально! На ввод питания припаян помехоподавляющий конденсатор, странно его тут видеть – раньше не ставили, да и ёмкость, на мой взгляд, великовата для подавления высокой частоты. Щёточный узел и задняя крышка устанавливаются в корпус только в одном положении, благодаря фиксирующим вырезам разной ширины. Тоже оригинально! А вот отсутствие изолирующей прокладки между оголёнными проводниками щёток и стальной задней крышкой, это откровенный ляпсус! Стоп! А где же задний подшипник? Снимаю щёточный узел с коллектора и с трудом вынимаю ротор из сильного магнитного поля постоянных магнитов статора. Опять оригинально! Первый раз вижу консольный ротор у коллекторного двигателя! А крутится то он в паре двухсотых шарикоподшипников. Статор четырёх полюсный с постоянными магнитами, одноимённые полюса взаимно противоположны. Число пазов ротора чётное, делится на четыре и равно числу пластин коллектора. Ротор большого диаметра, облегчён, за счёт размещения в нём подшипникового узла – оригинально! Есть, правда, второй ляпсус – если снята крыльчатка, то от осевого перемещения в сторону коллектора ротор не застрахован и упираться он будет своим балансировочным ляпком смолы в стеклотекстолитовую вставку щёточного узла! Рудимент вала, выступающего из коллектора, слишком короткий, чтобы упереться в заднюю крышку. Значит, без закреплённого на валу заменителя ступицы вентилятора, включать двигатель нельзя – протрёт щёточный узел к чёртовой матери! Вот почему могучая троица не рекомендовала использовать двигатель не по назначению! Вот почему продаётся он в сборе с крыльчаткой! Что ещё интересного в электромоторе? Крепление проводов на пластинах коллектора завальцовкой – уже не новшество, температуру держит большую, чем пайка, но со временем окисляется и обгорает. Намотка обмоток выполнена в два провода параллельными секциями – не одобряю! Но это чисто моё мнение. Дело в том, что плотность магнитного потока в сердечнике, из-за воздушного зазора с одной стороны, непостоянная и две параллельные катушки на нём будут мешать друг другу. Как следствие – нагрев, падение мощности и общего КПД. По какой причине производитель принял такое решение? По видимому укладка катушек более толстым проводом оказалась более трудозатратной, или были проблемы с балансировкой – мне не понятно. Но, на мой взгляд, обмотка более толстым проводом, позволила бы снять большую мощность, чем выполненная двумя тонкими в раздельных катушках. Ладно! Не понравится – переделаю! Хватит в потрохах копаться, пора дело делать! Как-то надо снять с этого изделия тяговую характеристику.
Для начала сделаем три основных допущения:
1. Так, как реостатные характеристики подобны полной, заниматься ими пока не будем.
2. Так, как питание привода будет от автомобильной батареи, все характеристики будут сниматься при рабочем напряжении стартёрной батареи.
3. Все снимаемые характеристики будем считать функциями от оборотов двигателя.
Далее, определим начало и конец всех графиков:
Начальная точка, это работа двигателя на холостом ходу без нагрузки. Подключаем двигатель без вентилятора, (но с набором шайб, поджатых гайкой к подшипнику вала) к батарее и замеряем напряжение на клеммах батареи, потребляемый двигателем ток и скорость вращения выходного вала. Не всё сразу, конечно, а хотя бы в три приёма.
Конечная точка, это режим полного торможения. На вал двигателя закрепляем катушку, определённого диаметра. На катушку несколько витков верёвки. К верёвке динамометр. Подключаем двигатель к батарее и измеряем напряжение на клеммах входа в двигатель, силу тока и показания динамометра. Последнее, через радиус катушки пересчитываем в крутящий момент.
Начальная и конечная точки известны, нужно засвидетельствовать хотя бы три промежуточных. Для этого на катушку, закреплённую на валу двигателя, набрасываем полупетлю тормозной ленты. Концы ленты зацепляем за крючки динамометров и с помощью динамометров создаём предварительный прижим ленты. Подключаем двигатель к батарее и замеряем напряжение на входе в двигатель, силу тока, обороты вала двигателя и разность показаний динамометров. Последнее, через диаметр катушки пересчитываем в крутящий момент. Меняя силу предварительного натяжения тормозной ленты, снимаем как минимум три группы показаний.
По полученным данным строим графики зависимости напряжения, силы тока, крутящего момента от оборотов двигателя. Линии графиков «рихтуем» до среднелекальных кривых и по снятым с графиков данных, для целых чисел оборотов вала, рассчитываем электрическую мощность, механическую мощность и КПД двигателя. По рассчитанным данным строим ещё три графика зависимости электрической и механической мощностей и КПД от оборотов вала двигателя. По кривой КПД, находим наибольшее значение и смотрим, каким оборотам и мощностям оно соответствует. Это и будет рабочая точка двигателя.
Но это всё теория. Практика натыкается на целую кучу проблем.
Во первых, двигатель нужно на чём то закрепить. Решается эта проблема с помощью штатных мест крепления двигателя, полосок стальной ленты, обрезков ДВП и мебельной фурнитуры. Понадобится ещё простейший инструмент и руки, растущие не из нижнего бюста.
Во вторых, нужно изготовить тормозную катушку, чтобы она закрепилась на валу двигателя без перекоса и биения. Желательно, чтобы её диаметр был целым числом. Без токарных работ тут не обойтись. Придётся идти к соседу токарю и рассказывать, что от него требуется. Без бутылки подмазки он с вами и разговаривать не будет. А если учесть, что с первого раза диаметр катушки можно не угадать – не хватит предела измерения динамометра или замеры будут смещены в начало или конец диаграмм, то портить отношения с соседом токарем не советую – он вам ещё пригодится. Я угадал середину диаграммы со второго раза. Диаметр второй катушки оказался 50 мм.
В третьих, надо запастись мерительным инструментом. Понадобятся два кухонных безмена на роль динамометров. Перед применением их надо проверить – легко ли перемещается шток и соответствует ли нолю положение без нагрузки. Тормозную ленту можно склеить клеем «Мастер» из полоски наждачки на тканой основе. Размер зерна при этом роли не играет.
Напряжение можно замерять любым тестером или мультиметром, способным уловить десятые доли вольта.
Скорость вращения вала замеряется тахометром. Вопрос, где его взять? Вещь очень дефицитная и дорогая. Оказалось, его роль с более высокой точностью выполняет велокомпьютер! Чтобы он успевал считать обороты вала двигателя, пришлось устанавливать понижающий редуктор. Для этого использовалась двухскоростная ручная дрель с передаточным числом 6,275. Шпиндель дрели соединяется с тормозной катушкой шарнирной муфтой, собранной из двух ключей от детских пружинных игрушек. Дрель крепится максимально соосно валу двигателя. Вместо приводной рукоятки закрепляется сектор с магнитом, а в поле его работы датчик велокомпьютера. Сам велокомпьютер можно закрепить в любом удобном месте. Остаётся запрограммировать компьютер. Это задача на смекалку для второклассника. Велокомп считает обороты колеса и через введенную длину окружности колеса, пересчитывает обороты в скорость. Нужно, с учётом передаточного числа дрели, ввести такую длину окружности, чтобы комп показывал не скорость, а обороты в минуту. В моём случае эта длина окружности равна 1046мм. При этом 1 км/ч равняется 100 об/мин. Ни один из универсальных механических тахометров с такой точностью не считает.
Остаётся найти, чем замерять силу тока. Дело в том, что ток полного торможения около 100 ампер. Ни один тестер или мультиметр такой ток не меряют. Нужен амперметр с выносным шунтом и калиброванными проводами подключения к шунту. Для меня такой прибор оказался недоступнее тахометра! Если шунтированного амперметра нет, почему бы не зашунтировать мультиметр, замеряющий ток в 10 ампер? Как показала практика, рассчитывать сопротивление шунта и подгонять его мультиметром – дело дохлое, не получается. Самый простой способ оказался такой: Берём двухнитевую автомобильную лампу от фары. Припаиваем к ней два провода так, чтобы нити соединились параллельно и при подсоединении к батарее горели обе. Мультиметром замеряем потребляемый лампой ток. В моём случае он оказался 6,5 ампера. Если учесть, что обещанный ток испытуемого двигателя равен 30 амперам, то для подсоединения его к батарее понадобится провод сечением минимум 2,5 миллиметра квадратных. Ищем метров десять любого медного провода в два раза большего сечения. Этот провод и выполнит роль шунта. Остаётся его откалибровать. Делается это так: Подсоединяем автомобильную лампу к батарее через этот провод. Мультиметр ставим на измерение десятиамперного тока. Один щуп мультиметра крепим в начало шунта, а вторым щупом ищем на шунте то место, где мультиметр покажет ток в десять раз меньше, чем показывал на лампочке без шунта. В этом месте шунта делаем крепление для щупа мультиметра. Вот и всё. Стоамперный амперметр у нас готов и работает! У него, правда, есть серьёзный недостаток – слишком большое сопротивление. Но ведь на электровелосипеде у нас двигатель на переднем колесе, батарея на заднем, а между ними двухпроводная проводка и возможно регулятор хода. Если общий КПД этой проводки окажется меньше, чем у состряпанного шунта, то мы только выиграем!
Остаётся весь испытательный стенд собрать воедино. Получится примерно следующее:
На стенде у меня роль шунта выполняет катушка толстого провода от сгоревшего сварочного трансформатора. А старый тестер, рядом с мультиметром, меряет напряжение. Можно обойтись и одним мультиметром, но слишком долго его переподключать, можно забыть выставить предел измерений и спалить прибор. К тому же через мультиметр проходит одна десятая часть замеряемого тока. Отключение мультиметра для замера напряжения повлечёт погрешность в измеряемом напряжении – оно будет больше. Напоминаю, что тестер, замеряющий напряжение, подключен параллельно двигателю, а не батарее! На минусовой клемме нет зажима, как и нет выключателя стенда. Подключение производится прижимом провода к клемме батареи. Всё готово. Можно снимать характеристики. Как это делается, я уже описывал выше, в теоретической части. На практике может оказаться не всё так гладко, как в теории. Тормозную катушку я переделывал два раза, конструкцию стенда тоже два, использовал четыре типа тахометров, остановился только на третьем варианте шунта, непоправимо сломал один динамометр и снял в общей сложности около двух десятков характеристик с одного двигателя. Когда все неполадки и неудобства были устранены, когда точки замеров стали ложиться почти по плавным кривым линиям графиков, я снял последнюю – контрольную характеристику и взял её за основу.
Для удобства записи и обработки показаний, при снятии характеристики, воспользуемся таблицей:
Первое, что может смутить скептиков, это разные показания динамометров перед стартом. Дело в том, что найти динамометр, который не врёт очень трудно. Можно конечно самому его оттарировать, но это придётся делать после каждого его срабатывания до упора. Я поступил проще – подобрал два динамометра, у которых погрешности компенсируют одна другую.
Почему в некоторых позициях таблицы стоят ноли, я думаю, объяснять не стоит.
Из всех позиций, восьмая не снимается, а вычисляется. Делается это так: Разность показаний одного динамометра, складывается с разностью показаний другого. Полученная сумма умножается на радиус тормозной катушки. Получается крутящий момент.
По данным таблицы строим первые три графика – зависимость напряжения, силы тока и крутящего момента от оборотов вала двигателя. Выглядит всё это примерно вот так:
Зависимость напряжения от оборотов, это плавная кривая с односторонним изгибом. Чем больше сопротивление общей цепи, тем кривая круче в начале. На максимальных оборотах кривая близка к горизонтальной прямой. Может возникнуть ситуация, когда при замере напряжения холостого хода, оно окажется больше, чем напряжение батареи без нагрузки. Виновата в этом обратная ЭДС самоиндукции двигателя. Чтобы избежать ошибки в построении графика, следует замерить напряжение батареи под небольшой активной нагрузкой и взять его за основу.
Зависимость силы тока от оборотов, это тоже кривая с односторонним изгибом. Чем больше сопротивление общей цепи, тем меньше наклон кривой и тем меньше её изгиб.
Зависимость крутящего момента от оборотов, это кривая с двусторонним изгибом. Чем оборотистее двигатель, тем менее заметен обратный изгиб на максимальных оборотах.
При прочерчивании графиков, полученныё при замерах координаты точек, служат ориентирами для лекальных кривых. Нужно добиться такого положения лекальных кривых, чтобы они проходили через максимальное количество координатных точек. Точки, которые не вписываются в лекальную кривую и создают слишком сильный её изгиб, лучше игнорировать или снять дополнительные данные для этой области графика. Если приглядеться к построенному графику, то можно заметить, что точка силы тока для 2660 оборотов и крутящий момент при 2070 оборотах в кривые не вписываются и при построении графиков эти точки проигнорированы. Таким способом проводится графическая «рихтовка» данных для построения следующих графиков.
Чтобы построить графики зависимости КПД, электрической и механической мощностей от оборотов двигателя, снимем с построенных графиков «отрихтованные» значения силы тока, напряжения и крутящего момента для целых значений чисел оборотов. Для дальнейшей обработки полученных данных воспользуемся таблицей:
Первая строка таблицы, это целые числа оборотов вала двигателя. Следующие три строки, это сила тока, напряжение и крутящий момент, соответствующие этим оборотам. Сняты они с ранее построенного графика. Следующие три строки, это расчётные данные. Получены они следующим образом:
Рэ – электрическая мощность в ваттах. Получена перемножением силы тока на напряжение для данного числа оборотов двигателя. Короче вторая строка, умноженная на третью.
Рм – механическая мощность в ваттах. Получена умножением момента на число оборотов и делённое на переходной коэффициент, равный 97,4. Или первая строка умножается на четвёртую и делится на 97,4.
КПД – коэффициент полезного действия электродвигателя. Он показывает процентное содержание механической мощности в электрической. Как он считается, думаю, объяснять не надо. Почему среди данных попадаются нулевые значения, наверное, тоже догадались.
По полученным данным остаётся построить последний график. Это зависимость КПД, электрической и механической мощностей от оборотов двигателя. Выглядит он так:
Линия Рэ – электрическая мощность, близка к прямой, или имеет слабо выраженный односторонний изгиб в любую сторону.
Линия Рм – механическая мощность, кривая с односторонним изгибом. Начинается в начале координат и заканчивается на линии оборотов. Чем ближе этот график подходит к графику электрической мощности, тем выше КПД для данных оборотов двигателя.
Линия КПД – коэффициент полезного действия мотора, обычно имеет горб максимума недалеко от горба максимальной механической мощности. Диапазон оборотов от максимальной мощности до максимального КПД, наиболее благоприятен и выгоден для работы мотора. В нашем случае это от 2000 до 2500 оборотов в минуту. За рабочую точку мотора лучше брать обороты при максимальном КПД – при этом будет небольшой запас по мощности. В нашем случае при 2500 оборотах, двигатель развивает 118 ватт.
Остаётся согласовать полученный результат с графиком расхода мощности для велосипеда, о котором я рассказывал в предыдущей статье, и рассчитать передаточное число трансмиссии. Делается это так:
Чтобы передать мощность двигателя на колесо велосипеда, понадобится, как минимум, двухступенчатый редуктор. Первую ступень сделаем с ремённой передачей, её КПД равен 0,92. Вторую ступень сделаем с цепной передачей, её КПД будет 0,94. Пара подшипников промежуточного вала заберут свою долю КПД в 0,99. Общий КПД передачи будет:
0,94х0,92х0,99=0,85%
Мощность для движения велосипеда будет составлять:
118х0,85=100 ватт. = 0,1 квт
Берём график расхода мощности их предыдущей статьи, находим на вертикальной оси зарубку, соответствующую одной десятой киловатта, и проводим через неё горизонтальную линию до пересечения с кривой «На качение и воздух». Из пересечения отпускаем перпендикуляр на ось скорости и считываем полученную скорость – 21 км/ч.
Скорость нам известна, теперь рассчитаем передаточное число трансмиссии. Для этого, переведём 21 км/ч в метры в минуту:
21х1000/60=350 м/мин.
С помощью рулетки или портновского сантиметра замеряем длину окружности колеса велосипеда. У моего Стингера колесо 26 дюймов с окружностью 2,04 метра.
Вычисляем, сколько оборотов в минуту делает колесо при скорости 21 км/ч:
350/2,04=171,5 об/мин.
Если учесть, что обороты электродвигателя в рабочей точке 2500 об/мин, то передаточное число трансмиссии составит:
2500/171,5=14,58
Цепную передачу соберём из звёздочек главной передачи двигателя «Д-5», что раньше ставился на велосипеды. У Стингера передний тормоз дисковый, правая сторона втулки колеса не задействована и позволяет элементарно закрепить «Газулькину» колёсную звёздочку в 41 зуб. На промежуточный вал закрепим моторную звезду в 10 зубьев. Передаточное число цепной передачи составит:
41/10=4,1
На ремённую передачу останется передаточное число:
14,58/4,1=3,55
Реализуем эту передачу из деталей ремённой передачи от стиральной машины. Приводной ремень длинной 510 мм, профиль ноль. Ведомый шкив, с диаметром окружности нейтрального слоя ремня 112мм, закрепляем на промежуточный вал. А на электродвигатель делаем шкив с диаметром нейтрального слоя ремня:
112/3,55=31,5 мм.
Моторама крепится, как и в предыдущем варианте, на незадействованную тормозную скобу. Но выполняется уже более сложной по устройству, так как требуется предусмотреть регулировку натяжения цепи и ремня. Более того, конструкция моторамы позволяет закрепить два электромотора. Выглядит всё это на велосипеде следующим образом:
Пробный заезд с одним электромотором подтвердил правильность проведённых исследований и расчётов. Велосипед свободно двигался со скоростью 18 – 22 км/ч по ровной горизонтальной дороге. Одной зарядки, отобранной у бомжей батареи, хватило на пробег в 24 километра. С двумя двигателями пробный заезд не проводился, так как ожидаемая скорость будет (смотри график) около 30 км/ч. Без регулятора мощности и муфты свободного хода на такой скорости с передним цепным приводом ездить опасно.
При пробном заезде сила тока разрядки батареи в среднем составляла 15 ампер. Батарея разрядилась за 1,2 часа. Значит, её ёмкость составила 1,2х15=18 ампер часов. Хотя на корпусе она промаркирована как 60 ампер часов. Почему так получилось, и как определить ёмкость и КПД батареи, поговорим как-нибудь в другой раз.
16 сентября 2007 Натаров А. И.
PS. Статью про батарею я так и не дописал. Часть снятых с той батареи данных осталась, но для статьи их недостаточно. Батарея давно сдохла. Чтобы дописать статью, нужно все эксперименты начинать заново. Хотя пол статьи изложить всё таки можно. Но это как нибудь в другой раз.
Вход
Регистрация
FAQ
Поиск
Благодарности
Добавлено: Пт окт 28 2011 19:10 
). Интересно было бы сравнить с моей болгаркой на 72 В постоянки по мощности.
