Hátimotor Hátimotor Motoros sárkány Kezdőlap Merevszárnyú UL Forgószárnyú UL Műrepülés Videók Galéria

Version francaise Versiunea în româneste
 
Minden más ami repül

Motoarele electrice


Motoarele electrice fac parte din viaţa noastră de zi cu zi deja de multă vreme. Datorită utilizabilităţii lor în domenii foarte variate, a nivelului scăzut de zgomot, a curăţeniei în funcţionare, şi a performanţelor din ce în ce mai bune a acumulatorilor, acestea s-au răspândit deja pretutindeni: în biciclete, motorete, şi chiar în automobile. În ce priveşte folosirea lor la aparate de zbor, după cum ştim, conceptul este încă la începuturi. Există deja paramotoare fiabile ce sunt echipate cu astfel de motorizări ecologice.
Ne-am propus ca în acest articol să dăm contur acestor alternative „de viitor” ce sunt în plină dezvoltare şi sperăm că vor constitui un real succes prin performanţe, siguranţă, autonomie, confort şi nu în ultimul rând ecologicitate.

Motor electric – regulator de tensiune – acumulator – redresor
Acest lanţ este defapt alternativa celui de la motoare termice care sună cam aşa: motor - rezervor de combustibil – pompă de benzină. În cele ce urmează vom face o paralelă între aceste elemente şi respective caracteristicile cele mai importante ale acestora.
Pentru a uşura puţin calculele stabilim de la început câteva unităţi de măsură comune utilizate în ambele variante, conceptual şi funcţional diferite dar care servesc aceluiaş scop: puterea o vom măsura în watt-ţi (W) iar energia în jouli (J) sau Newton metrii (Nm).

Motoarele
Criteriul de bază a motoarelor destinate zborului este performanţa în raport cu masa proprie, altfel spus puterea pe fiecare kg. La motoarele termice mici, acest raport rar atinge valoarea de 0,75 kW/kg, desigur luând în considerare toate „perifericele” necesare zborului. Pe când motoarele electrice din cea mai nouă generaţie ce conţin metale rare precum samarium şi neodinium ating lejer 2 şi unele chiar 3 kW/kg, cel puţin pentru o perioadă de timp în funcţie de calitatea acumulatorilor. Astfel ne dăm seama că pentru a obţine performanţe egale, în varianta electrică – ecologică vom avea de cărat mai puţin decât jumătate uneori chiar şi numai un sfert din masa totală de zbor a variantei cu motor termic!

Randament
Acest termen este defapt capacitatea unui ansamblu moto-propulsor de a utiliza energia provenită din combustibili(benzină) respectiv din acumulatori pentru a executa acelaşi lucru mecanic – cel necesar pentru a roti elicea de propulsie care face posibil zborul. Daca vom consulta puţin teoria vom vedea că şi în acest domeniu, motorul electric este mult mai avantajos. Chiar şi motoare electrice de generaţie mai veche aveau un randament de peste 80%, cele noi reuşind chiar 95% în condiţii de funcţionare optimă. Toate acestea în contrast cu motoarele termice între care nici chiar cele mai avansate nu depăşesc 30%, pe când cele folosite la paramotoare ajung la maxim 25% iar dacă sunt de capacitate cilindrică mică şi în doi timpi randamentul scade până la 15%.
Unde se va pierde restul energiei? Este simplu, se transformă în căldură... Pentru a ne convinge, ajunge să punem mâna pe un motor electric după utilizare iar apoi – pentru cine vrea, să atingă chiuloasa ori eşapamentul unui motor termic recent oprit din funcţionare. Răspunsul şi deosebirea vor fi evidente, dureroase chiar.

Depozitarea energiei
Este oarecum dificil să comparăm direct valorile energiilor exprimate unităţi de măsură diferite dar putem să le transformăm în aceeaşi unitate de măsură atât pentru motorul electric cât şi pentru cel termic. În primul caz ştim că în mod obişnuit se foloseşte watt/oră (W.h) iar în al doilea caz joule-ul (J) sau multiplele acestuia. Pentru a face transformarea trebuie să ne amintim formula W=J/s deci unui W.h îi corespund 3600 J. Astfel putem compara cele două tipuri de energie şi respectiv mediile de conservare a lor: acumulatorul şi respectiv rezervorul de combustibil.
Astăzi avem la dispoziţie aşa-numiţii acumulatori litiuion-polimer sau Li-po pe care-i întâlnim în telefoane şi în lap-top-uri. Aceştia sunt capabili să depoziteze între 100 şi 200 W.h/kg ceea ce corespunde la 0,54 MJ/kg. În timp ce valoarea energetică a benzinei este de 44 MJ/kg dar, chiar şi fără rezervorul în sine, greutatea combustibilului lichid este de 70 de ori mai mare decât a celor mai noi acumulatori.
Astfel, problema centrală a motorizării ecologice, momentan este depozitarea energiei.

„Re-alimentarea”
Alimentarea cu benzină presupune doar câteva minute pe când încărcarea oricărui acumulator de ultimă generaţie presupune minim 2-3 ore. Transportul unor recipienţi cu combustibil de rezervă nu constituie o problemă pe când pentru încărcarea acumulatorilor e nevoie de o sursă de electricitate la faţa locului iar dacă ne gândim la rezerve de acumulatori şi folosirea lor alternativă trebuie să luăm în considerare preţul acestora ce este relativ mare dar este totuşi o soluţie.

„Balanţa” putere-masă între cele două variante
Dacă vom considera cele mai optimiste ipoteze în privinţa motorului electric şi foarte modeste în ce priveşte motorul termic, presupunând că vom folosi motoarele la un regim de cca. 50% în timpul zborului, vom constata că raportul putere-masă este în echilibru în primele 20 de minute în care performanţele propulsorului electric sunt mai bune decât ale celui termic după care acesta din urmă preia conducerea ajungând ca după o oră de zbor raportul să scadă la jumătate, desigur, tot în favoarea motorului termic.

Motorul electric

Principiul după care funcţionează motoarele electrice are la bază două legi. Unul bazat pe forţele de atracţie şi respectiv respingere dintre doi magneţi sau dintre un magnet şi un metal feros iar al doilea, stabilit de Maxwell conform căruia curentul ce trece printr-un conductor generează în jurul lui un câmp magnetic şi respectiv forţe de atracţie perpendiculare pe respectivul conductor. Important de menţionat ar fi şi reciproca acestei teorii şi anume faptul că prin mişcarea conductorului în acest câmp magnetic se induce curent în conductor.
Această a doua lege înseamnă cu alte cuvinte că respectivul curent produs în conductor generează câmp magnetic şi se produc acele forţe perpendiculare pe conductor apărând astfel efectul electromagnetic proporţional cu tensiunea şi cu puterea.
Printre marea varietate de mecanisme antrenate prin inducţie electro-magnetică pe noi ne interesează cele care execută mişcare de rotaţie. Astfel, în jurul unui ax avem în permanenţă magneţi şi electromagneţi care generează mişcarea de rotaţie. Piesa fixă o numim stator iar cea care se roteşte şi este în legătură directă cu axul elicei este rotorul. În ultima perioadă datorită descoperirii unor materiale magnetice noi, masa acestor piese s-a reuşit a fi mult diminuată.
Spre exemplu: un magnet din neodinium-fier-bor cu dimensiunile: 40x20x10 la doar 60 de grame cât cântăreşte este capabil să dezvolte o forţă de atracţie echivalentă cu 25 kg.
Magneţii pot fi poziţionaţi atât pe stator cât şi pe rotor după care urmează a se rezolva problema comutaţiilor. Daca alimentăm continuu un electroagnet, acesta va mişca doar până la stadiul de echilibru. Pentru ca miscarea să fie continuă, curentul trebuie direcţionat defazat pe o altă bobină.

Comutaţia
Aceasta poate fi realizată pe cale mecanică prin perii (brushed) sau electronică fără perii (brushless). La motoarele de curent continuu se foloseşte prima variantă deja de mai bine de 150 de ani.
Tehnologia „brushless” este mult mai avansată şi mai avantajoasă şi este posibilă odată cu descoperirea sau realizarea tranzistorilor MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Datorită avansării tehnologiilor din toate domeniile, atât electronice cât şi mecanice, produsele industriale de astăzi precum şi motoarele electrice au câştigat în greutate, simplitate şi mai ales mod de operare sau chiar de reproducere „artizanal” de către amatori ambiţioşi.

Funcţionare efectivă
Micile motoare cu ardere internă dezvoltă puterea necesară zborului la regimuri de turaţie foarte mare. Astfel pentru rotirea elicei, motoarelel sunt dotate în mod obligatoriu cu reductoare de turaţie. În cazul motoarelor electrice acest aspect se poate rezolva prin simpla depărtare a magneţilor de electromagneţi pe direcţie radială. În ce priveşte scăderea greutăţii, merită ca magneţii să fie plasaţi la exterior: varianta „rotor exterior” în mod interesant prezintă un avantaj în plus la ceea ce dorim noi a-l utiliza.
În perioada anilor şaizeci, doi polonezi au descoperit acea legătură cu ajutorul căreia viteza de comutaţie se poate multiplica de şapte ori faţă de turaţia motorului obţinându-se astfel o scădere a turaţiei pe lângă acelaşi cuplu motor. Ulterior acest fenomen a fost dezvoltat de alţi trei ingineri nemţi, tehnologia devenind cunoscută sub numele de LRK.

Cuplu
Oricât de ciudat ar părea la prima vedere, cuplul motorului este direct proporţional cu cantitatea de cupru conţinută în bobine – cu cât bobinele sunt mai mari şi mai multe cu atât cuplul motorului va fi mai mare. Numărul de spire a bobinelor este doar un aspect secundar, fiind dependent de grosimea firului bobinat. Cu fir mai gros respectiv curenţi de putere mai mare se pot dezvolta aceleaşi performanţe la tensiuni mai mici. Limita este stabilită de nivelul de încălzire al conductorilor deoarece odată cu încălzirea firului – deja cu mult înainte de topire – apare efectul negativ ce scade puterea magneţilor permanenţi iar după un anumit nivel numit punct Curie, magneţii îşi pierd ireversibil puterea de atracţie. În cazul magneţilor neodinium acest punct corespunde temperaturii de 310 °C.
Astfel, asemeni motoarelor cu ardere internă putem deosebi două nivele de performanţă: cea maximă atinsă de motor timp de câteva minute înainte de supraîncălzire şi respectiv performanţa optimă continuă fără a intra în domeniul în care să se producă deteriorări ale motorului.

„Administrarea” performanţelor
Motoarele de curent continuu au performanţele proporţionale cu intensitatea curentului. Astfel, puterea motorului respectiv propulsia se administrează prin modificarea intensităţii curentului.
Cel mai simplu mod de a accelera sau frâna motorul este prin intercalarea unei rezistenţe variabile (reostat) între sursa de curent şi motor. Aceasta transformă o parte din curent în căldură lăsând restul să meargă la motor. Astfel însă se risipeşte o parte din rezerva de curent iar autonomia de zbor scade. O altă soluţie mult mai economicoasă şi mai eficientă este folosirea unui variator digital care nu face altceva decât întrerupe fluxul de curent cu o frecvenţă care desigur este sesizată de motor fără întreruperi. Acest lucru se poate realiza tot cu ajutorul tranzistorilor MOSFET. În cazul motoarelor fără perii, acest sistem, pe lângă varierea tensiunii, realizează şi comutaţia aşa cum am amintit deja mai devreme.

Acumulatorii

După cum ştim, în cazul zborului, acumulatorii şi respectiv capacitatea acestora în raport cu masa lor este unul dintre cele mai controversate aspecte.
Ca o comparaţie, acumulatorii pe bază de plumb de la autovehicule pot stoca maxim 35 W.h/kg iar acumulatorii de generaţii noi pe bază de litiu-ion-polimer sunt capabili de a înmagazina 200 W.h pe unitatea de kg. Acesta este defapt aspectul care a făcut posibilă utilizarea motorizărilor electrice în aviaţie.
Spre deosebire de principiul electrolizei pe care se bazează acumulatorii cu plumb şi acid sulfuric, cei „avansaţi” utilizează ioni de litiu pentru stocarea energiei electrice. Există o serie de alte elemente ce se pot alia cu litiul precum cobaltul: litiu-cobalt(Li/CoO2), manganul: litiu-mangan (Li/MnO2), sulful: litiu-sulf (Li/SO2), fierul: Litiu-fier (Li/FePO4), etc. Până acum aliajul de litiu-fier-fosfor s-a dovedit a fi cel mai interesant în caracteristici. Pe de o parte din cauza preţului cel mai mic, iar pe de altă parte datorită toleranţei celei mai bune la tensiuni maxime. Pentru aviaţie, luând în considerare densitatea şi respectiv masa produsului final, variantele cu litiu-cobalt-polimer s-au dovedit a fi cele mai eficiente cu atât mai mult cu cât nu e nevoie de ambalaj metalic, materialele active putând fi ambalate pur şi simplu într-un săculeţ de plastic.

Tensiune, încărcare, descărcare
Tensiunea nominală a acumulatorilor de generaţie nouă este în general de 3,7 V/celulă (la cei de Pb este de 2 V/celulă).
Aceste celule pot fi legate în serie şi respectiv în paralel pentru a obţine tensiunea şi respectiv autonomia dorită.
Un mare dezavantaj al acestora este că nu suportă nici supraîncărcarea şi nici descărcarea totală. Astfel, pentru încărcare este nevoie de un redresor capabil să sesizeze şi să întrerupă procesul de încărcare în momentul în care acumulatorul ajunge la 4,20 V. În cazul unei supraîncărcări, în materialul constituent iau naştere gaze printre care şi oxigen iar celula poate exploda.
În mod similar, descărcarea excesivă duce la deteriorarea acumulatorului. Dacă tensiunea scade sub 2,7 V, acumulatorii se distrug ne mai putând fi încărcaţi şi respectiv utilizaţi, astfel că în timpul utilizării în mod obligatoriu trebuie monitorizată tensiunea acestora.
Costul unei încărcări este foarte mic deoarece randamentul lor este în jur de sau peste 95%. Astfel, încărcarea acumulatorului luat în exemplul nostru costă cca. 0,25 euro calculat cu cele mai mari tarife ale curentului, asta pentru 20 minute de zbor, „dă cineva mai puţin?”

Intensitatea descărcării
În funcţie de constituenţii activi ai acumulatorilor aceştia au o capacitate mai mare sau mai mică a intensităţii de transfer a curentului. Dacă acumulatorul are capacitatea de 1C, atunci un acumulator de 1Ah poate fi descărcat cu 1C la o intensitate de 1A timp de o oră. Pentru asta sigur ar fi nevoie de un acumulator destul de greu pentru a putea asigura motorului puterea necesară la decolare. Depinde mult şi de rezistenţa internă a acumulatorului care dacă este mare, la intensităţi mari produce supraîncălzirea ce implică deja deteriorarea sau chiar explozia acumulatorului.
Din fericire acumulatorii de înaltă performanţă tip Li-po pot fi descărcaţi cu 5 C continuu sau chiar 10 C timp de câteva secunde fără ca aceştia să sufere. Acest lucru face posibilă o viteză de croazieră adaptată la performanţele motorului şi asigură şi surplusul de energie necesar decolării.

Durată de viaţă
În cazul utilizării corecte, acumulatorilor Li-Po li se garantează 500 cicluri de încărcare-descărcare. Asta ar putea fi considerat chiar prea mult în ideea că datorită evoluţiei continue a cercetării şi tehnologiei, în doi ani se aşteaptă alte şi alte variante cu performanţe mult mai bune.

Ultimul obstacol: preţul
În momentul de faţă, preţul elemenţilor Li-po este de 1000 € /kW.h. Dacă am presupune că motoarele termice de pe diferite tipuri de aparate de zbor ultrauşoare ar fi înlocuite cu motoare termice, calculul ar arăta cam aşa: 2000 € pentru un paramotor de 10 kW (13,5 c.p.), 3500 € pentru un motodelta de şi cca. 8000 € pentru motorizarea unui avion ultrauşor biloc de 45 kW dacă în fiecare din cazuri ne raportăm la 20 de minute ca şi autonomie de zbor la regim de 50%. Astfel, după cum spuneam, cel mai mare obstacol în calea implementării motoarelor electrice pe scară largă în aviaţie o constituie autonomia mică datorată desigur capacităţii acumulatorilor.

Viitorul sună bine
Aşadar avem de rezolvat problema înmagazinării energiei

Am demonstrat că astăzi deja motoarele electrice se întrec cu cele termice în primele 30 de minute. Luând în considerare ritmul de dezvoltare a conceptelor acumulatorilor din ultima perioadă putem fi optimişti şi sperăm ca acestea să ne asigure o autonomie cât mai mare în viitorul apropiat.
Mai avem nişte informaţii conform cărora cercetătorii din Stanford California au descoperit o metodă* cu ajutorul căreia se pot realiza acoperiri cu litiu a unor ţevi nanometrice din siliciu care să ia locul anozilor de carbon utilizaţi în mod obişnuit în trecut. Cu această metodă s-a obţinut conservarea a de zece ori mai multă energie în acumulatorii prototip faţă de variantele anterioare. Asta înseamnă că timpul de zbor poate creşte în curând de la 30 minute la 300 adică 5 ore ceea ce este mai mult decât se poate stoarce dintr-un rezervor normal la un singur start (cel puţin la paramotor). Oare, zilele motoarelor termice încep a putea fi numărate?

Sursa: „High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires,” apărută în 16 decembrie 2007 pe portalul online „Nature Nanotechnology”.

Text: Philippe Tisserant
Imagini: Vol Moteur
Material tradus de: Kádár Andrea şi Adrian Suciu


 
Belépés
   

Kapcsolódó linkek
   

Hír értékelése
   

Parancsok
   

Kapcsolódó rovatok

Avion UltrausorGirocopterMoto-deltaplanParamotorPlanoareTot ce zboaraVazute de sus

Tartalomkezelő rendszer: © 2004 PHP-Nuke. Minden jog fenntartva. A PHP-Nuke szabad szoftver, amelyre a GNU/GPL licensz érvényes.
Oldalkészítés: 0.13 másodperc