Htimotor Htimotor Motoros srkny Kezdlap Merevszrny UL Forgszrny UL Mrepls Videk Galria

Version francaise Versiunea n romneste
 
Minden más ami repül

Motoarele electrice


Motoarele electrice fac parte din viaþa noastrã de zi cu zi deja de multã vreme. Datoritã utilizabilitãþii lor în domenii foarte variate, a nivelului scãzut de zgomot, a curãþeniei în funcþionare, ºi a performanþelor din ce în ce mai bune a acumulatorilor, acestea s-au rãspândit deja pretutindeni: în biciclete, motorete, ºi chiar în automobile. În ce priveºte folosirea lor la aparate de zbor, dupã cum ºtim, conceptul este încã la începuturi. Existã deja paramotoare fiabile ce sunt echipate cu astfel de motorizãri ecologice.
Ne-am propus ca în acest articol sã dãm contur acestor alternative „de viitor” ce sunt în plinã dezvoltare ºi sperãm cã vor constitui un real succes prin performanþe, siguranþã, autonomie, confort ºi nu în ultimul rând ecologicitate.

Motor electric – regulator de tensiune – acumulator – redresor
Acest lanþ este defapt alternativa celui de la motoare termice care sunã cam aºa: motor - rezervor de combustibil – pompã de benzinã. În cele ce urmeazã vom face o paralelã între aceste elemente ºi respective caracteristicile cele mai importante ale acestora.
Pentru a uºura puþin calculele stabilim de la început câteva unitãþi de mãsurã comune utilizate în ambele variante, conceptual ºi funcþional diferite dar care servesc aceluiaº scop: puterea o vom mãsura în watt-þi (W) iar energia în jouli (J) sau Newton metrii (Nm).

Motoarele
Criteriul de bazã a motoarelor destinate zborului este performanþa 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 nouã generaþie ce conþin metale rare precum samarium ºi neodinium ating lejer 2 ºi unele chiar 3 kW/kg, cel puþin pentru o perioadã de timp în funcþie de calitatea acumulatorilor. Astfel ne dãm seama cã pentru a obþine performanþe egale, în varianta electricã – ecologicã vom avea de cãrat mai puþin decât jumãtate uneori chiar ºi numai un sfert din masa totalã de zbor a variantei cu motor termic!

Randament
Acest termen este defapt capacitatea unui ansamblu moto-propulsor de a utiliza energia provenitã din combustibili(benzinã) respectiv din acumulatori pentru a executa acelaºi lucru mecanic – cel necesar pentru a roti elicea de propulsie care face posibil zborul. Daca vom consulta puþin teoria vom vedea cã ºi în acest domeniu, motorul electric este mult mai avantajos. Chiar ºi motoare electrice de generaþie mai veche aveau un randament de peste 80%, cele noi reuºind chiar 95% în condiþii de funcþionare optimã. Toate acestea în contrast cu motoarele termice între care nici chiar cele mai avansate nu depãºesc 30%, pe când cele folosite la paramotoare ajung la maxim 25% iar dacã sunt de capacitate cilindricã micã ºi în doi timpi randamentul scade pânã la 15%.
Unde se va pierde restul energiei? Este simplu, se transformã în cãldurã... Pentru a ne convinge, ajunge sã punem mâna pe un motor electric dupã utilizare iar apoi – pentru cine vrea, sã atingã chiuloasa ori eºapamentul unui motor termic recent oprit din funcþionare. Rãspunsul ºi deosebirea vor fi evidente, dureroase chiar.

Depozitarea energiei
Este oarecum dificil sã comparãm direct valorile energiilor exprimate unitãþi de mãsurã diferite dar putem sã le transformãm în aceeaºi unitate de mãsurã atât pentru motorul electric cât ºi pentru cel termic. În primul caz ºtim cã în mod obiºnuit se foloseºte watt/orã (W.h) iar în al doilea caz joule-ul (J) sau multiplele acestuia. Pentru a face transformarea trebuie sã ne amintim formula W=J/s deci unui W.h îi corespund 3600 J. Astfel putem compara cele douã tipuri de energie ºi respectiv mediile de conservare a lor: acumulatorul ºi respectiv rezervorul de combustibil.
Astãzi avem la dispoziþie aºa-numiþii acumulatori litiuion-polimer sau Li-po pe care-i întâlnim în telefoane ºi în lap-top-uri. Aceºtia sunt capabili sã depoziteze între 100 ºi 200 W.h/kg ceea ce corespunde la 0,54 MJ/kg. În timp ce valoarea energeticã a benzinei este de 44 MJ/kg dar, chiar ºi fãrã rezervorul în sine, greutatea combustibilului lichid este de 70 de ori mai mare decât a celor mai noi acumulatori.
Astfel, problema centralã a motorizãrii ecologice, momentan este depozitarea energiei.

„Re-alimentarea”
Alimentarea cu benzinã presupune doar câteva minute pe când încãrcarea oricãrui acumulator de ultimã generaþie presupune minim 2-3 ore. Transportul unor recipienþi cu combustibil de rezervã nu constituie o problemã pe când pentru încãrcarea acumulatorilor e nevoie de o sursã de electricitate la faþa locului iar dacã ne gândim la rezerve de acumulatori ºi folosirea lor alternativã trebuie sã luãm în considerare preþul acestora ce este relativ mare dar este totuºi o soluþie.

„Balanþa” putere-masã între cele douã variante
Dacã vom considera cele mai optimiste ipoteze în privinþa motorului electric ºi foarte modeste în ce priveºte motorul termic, presupunând cã vom folosi motoarele la un regim de cca. 50% în timpul zborului, vom constata cã raportul putere-masã este în echilibru în primele 20 de minute în care performanþele propulsorului electric sunt mai bune decât ale celui termic dupã care acesta din urmã preia conducerea ajungând ca dupã o orã de zbor raportul sã scadã la jumãtate, desigur, tot în favoarea motorului termic.

Motorul electric

Principiul dupã care funcþioneazã motoarele electrice are la bazã douã legi. Unul bazat pe forþele de atracþie ºi respectiv respingere dintre doi magneþi sau dintre un magnet ºi un metal feros iar al doilea, stabilit de Maxwell conform cãruia curentul ce trece printr-un conductor genereazã în jurul lui un câmp magnetic ºi respectiv forþe de atracþie perpendiculare pe respectivul conductor. Important de menþionat ar fi ºi reciproca acestei teorii ºi anume faptul cã prin miºcarea conductorului în acest câmp magnetic se induce curent în conductor.
Aceastã a doua lege înseamnã cu alte cuvinte cã respectivul curent produs în conductor genereazã câmp magnetic ºi se produc acele forþe perpendiculare pe conductor apãrând astfel efectul electromagnetic proporþional cu tensiunea ºi cu puterea.
Printre marea varietate de mecanisme antrenate prin inducþie electro-magneticã pe noi ne intereseazã cele care executã miºcare de rotaþie. Astfel, în jurul unui ax avem în permanenþã magneþi ºi electromagneþi care genereazã miºcarea de rotaþie. Piesa fixã o numim stator iar cea care se roteºte ºi este în legãturã directã cu axul elicei este rotorul. În ultima perioadã datoritã descoperirii unor materiale magnetice noi, masa acestor piese s-a reuºit a fi mult diminuatã.
Spre exemplu: un magnet din neodinium-fier-bor cu dimensiunile: 40x20x10 la doar 60 de grame cât cântãreºte este capabil sã dezvolte o forþã de atracþie echivalentã cu 25 kg.
Magneþii pot fi poziþionaþi atât pe stator cât ºi pe rotor dupã care urmeazã a se rezolva problema comutaþiilor. Daca alimentãm continuu un electroagnet, acesta va miºca doar pânã la stadiul de echilibru. Pentru ca miscarea sã fie continuã, curentul trebuie direcþionat defazat pe o altã bobinã.

Comutaþia
Aceasta poate fi realizatã pe cale mecanicã prin perii (brushed) sau electronicã fãrã perii (brushless). La motoarele de curent continuu se foloseºte prima variantã deja de mai bine de 150 de ani.
Tehnologia „brushless” este mult mai avansatã ºi mai avantajoasã ºi este posibilã odatã cu descoperirea sau realizarea tranzistorilor MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Datoritã avansãrii tehnologiilor din toate domeniile, atât electronice cât ºi mecanice, produsele industriale de astãzi precum ºi motoarele electrice au câºtigat în greutate, simplitate ºi mai ales mod de operare sau chiar de reproducere „artizanal” de cãtre amatori ambiþioºi.

Funcþionare efectivã
Micile motoare cu ardere internã dezvoltã puterea necesarã zborului la regimuri de turaþie foarte mare. Astfel pentru rotirea elicei, motoarelel sunt dotate în mod obligatoriu cu reductoare de turaþie. În cazul motoarelor electrice acest aspect se poate rezolva prin simpla depãrtare a magneþilor de electromagneþi pe direcþie radialã. În ce priveºte scãderea greutãþii, meritã ca magneþii sã fie plasaþi la exterior: varianta „rotor exterior” în mod interesant prezintã un avantaj în plus la ceea ce dorim noi a-l utiliza.
În perioada anilor ºaizeci, doi polonezi au descoperit acea legãturã cu ajutorul cãreia viteza de comutaþie se poate multiplica de ºapte ori faþã de turaþia motorului obþinându-se astfel o scãdere a turaþiei pe lângã acelaºi cuplu motor. Ulterior acest fenomen a fost dezvoltat de alþi trei ingineri nemþi, tehnologia devenind cunoscutã sub numele de LRK.

Cuplu
Oricât de ciudat ar pãrea la prima vedere, cuplul motorului este direct proporþional cu cantitatea de cupru conþinutã în bobine – cu cât bobinele sunt mai mari ºi mai multe cu atât cuplul motorului va fi mai mare. Numãrul de spire a bobinelor este doar un aspect secundar, fiind dependent de grosimea firului bobinat. Cu fir mai gros respectiv curenþi de putere mai mare se pot dezvolta aceleaºi performanþe la tensiuni mai mici. Limita este stabilitã de nivelul de încãlzire al conductorilor deoarece odatã cu încãlzirea firului – deja cu mult înainte de topire – apare efectul negativ ce scade puterea magneþilor permanenþi iar dupã un anumit nivel numit punct Curie, magneþii îºi pierd ireversibil puterea de atracþie. În cazul magneþilor neodinium acest punct corespunde temperaturii de 310 °C.
Astfel, asemeni motoarelor cu ardere internã putem deosebi douã nivele de performanþã: cea maximã atinsã de motor timp de câteva minute înainte de supraîncãlzire ºi respectiv performanþa optimã continuã fãrã a intra în domeniul în care sã se producã deteriorãri ale motorului.

„Administrarea” performanþelor
Motoarele de curent continuu au performanþele proporþionale cu intensitatea curentului. Astfel, puterea motorului respectiv propulsia se administreazã prin modificarea intensitãþii curentului.
Cel mai simplu mod de a accelera sau frâna motorul este prin intercalarea unei rezistenþe variabile (reostat) între sursa de curent ºi motor. Aceasta transformã o parte din curent în cãldurã lãsând restul sã meargã la motor. Astfel însã se risipeºte o parte din rezerva de curent iar autonomia de zbor scade. O altã soluþie mult mai economicoasã ºi mai eficientã este folosirea unui variator digital care nu face altceva decât întrerupe fluxul de curent cu o frecvenþã care desigur este sesizatã de motor fãrã întreruperi. Acest lucru se poate realiza tot cu ajutorul tranzistorilor MOSFET. În cazul motoarelor fãrã perii, acest sistem, pe lângã varierea tensiunii, realizeazã ºi comutaþia aºa cum am amintit deja mai devreme.

Acumulatorii

Dupã cum ºtim, în cazul zborului, acumulatorii ºi respectiv capacitatea acestora în raport cu masa lor este unul dintre cele mai controversate aspecte.
Ca o comparaþie, acumulatorii pe bazã de plumb de la autovehicule pot stoca maxim 35 W.h/kg iar acumulatorii de generaþii noi pe bazã de litiu-ion-polimer sunt capabili de a înmagazina 200 W.h pe unitatea de kg. Acesta este defapt aspectul care a fãcut posibilã utilizarea motorizãrilor electrice în aviaþie.
Spre deosebire de principiul electrolizei pe care se bazeazã acumulatorii cu plumb ºi acid sulfuric, cei „avansaþi” utilizeazã ioni de litiu pentru stocarea energiei electrice. Existã 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. Pânã acum aliajul de litiu-fier-fosfor s-a dovedit a fi cel mai interesant în caracteristici. Pe de o parte din cauza preþului cel mai mic, iar pe de altã parte datoritã toleranþei celei mai bune la tensiuni maxime. Pentru aviaþie, luând în considerare densitatea ºi 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 ºi simplu într-un sãculeþ de plastic.

Tensiune, încãrcare, descãrcare
Tensiunea nominalã a acumulatorilor de generaþie nouã este în general de 3,7 V/celulã (la cei de Pb este de 2 V/celulã).
Aceste celule pot fi legate în serie ºi respectiv în paralel pentru a obþine tensiunea ºi respectiv autonomia doritã.
Un mare dezavantaj al acestora este cã nu suportã nici supraîncãrcarea ºi nici descãrcarea totalã. Astfel, pentru încãrcare este nevoie de un redresor capabil sã sesizeze ºi sã întrerupã procesul de încãrcare în momentul în care acumulatorul ajunge la 4,20 V. În cazul unei supraîncãrcãri, în materialul constituent iau naºtere gaze printre care ºi oxigen iar celula poate exploda.
În mod similar, descãrcarea excesivã duce la deteriorarea acumulatorului. Dacã tensiunea scade sub 2,7 V, acumulatorii se distrug ne mai putând fi încãrcaþi ºi respectiv utilizaþi, astfel cã în timpul utilizãrii în mod obligatoriu trebuie monitorizatã tensiunea acestora.
Costul unei încãrcãri este foarte mic deoarece randamentul lor este în jur de sau peste 95%. Astfel, încãrcarea acumulatorului luat în exemplul nostru costã cca. 0,25 euro calculat cu cele mai mari tarife ale curentului, asta pentru 20 minute de zbor, „dã cineva mai puþin?”

Intensitatea descãrcãrii
În funcþie de constituenþii activi ai acumulatorilor aceºtia au o capacitate mai mare sau mai micã a intensitãþii de transfer a curentului. Dacã acumulatorul are capacitatea de 1C, atunci un acumulator de 1Ah poate fi descãrcat cu 1C la o intensitate de 1A timp de o orã. Pentru asta sigur ar fi nevoie de un acumulator destul de greu pentru a putea asigura motorului puterea necesarã la decolare. Depinde mult ºi de rezistenþa internã a acumulatorului care dacã este mare, la intensitãþi mari produce supraîncãlzirea ce implicã deja deteriorarea sau chiar explozia acumulatorului.
Din fericire acumulatorii de înaltã performanþã tip Li-po pot fi descãrcaþi cu 5 C continuu sau chiar 10 C timp de câteva secunde fãrã ca aceºtia sã sufere. Acest lucru face posibilã o vitezã de croazierã adaptatã la performanþele motorului ºi asigurã ºi surplusul de energie necesar decolãrii.

Duratã de viaþã
În cazul utilizãrii corecte, acumulatorilor Li-Po li se garanteazã 500 cicluri de încãrcare-descãrcare. Asta ar putea fi considerat chiar prea mult în ideea cã datoritã evoluþiei continue a cercetãrii ºi tehnologiei, în doi ani se aºteaptã alte ºi alte variante cu performanþe mult mai bune.

Ultimul obstacol: preþul
În momentul de faþã, preþul elemenþilor Li-po este de 1000 € /kW.h. Dacã am presupune cã motoarele termice de pe diferite tipuri de aparate de zbor ultrauºoare ar fi înlocuite cu motoare termice, calculul ar arãta cam aºa: 2000 € pentru un paramotor de 10 kW (13,5 c.p.), 3500 € pentru un motodelta de ºi cca. 8000 € pentru motorizarea unui avion ultrauºor biloc de 45 kW dacã în fiecare din cazuri ne raportãm la 20 de minute ca ºi autonomie de zbor la regim de 50%. Astfel, dupã cum spuneam, cel mai mare obstacol în calea implementãrii motoarelor electrice pe scarã largã în aviaþie o constituie autonomia micã datoratã desigur capacitãþii acumulatorilor.

Viitorul sunã bine
Aºadar avem de rezolvat problema înmagazinãrii energiei

Am demonstrat cã astãzi deja motoarele electrice se întrec cu cele termice în primele 30 de minute. Luând în considerare ritmul de dezvoltare a conceptelor acumulatorilor din ultima perioadã putem fi optimiºti ºi sperãm ca acestea sã ne asigure o autonomie cât mai mare în viitorul apropiat.
Mai avem niºte informaþii conform cãrora cercetãtorii din Stanford California au descoperit o metodã* cu ajutorul cãreia se pot realiza acoperiri cu litiu a unor þevi nanometrice din siliciu care sã ia locul anozilor de carbon utilizaþi în mod obiºnuit în trecut. Cu aceastã metodã s-a obþinut conservarea a de zece ori mai multã energie în acumulatorii prototip faþã de variantele anterioare. Asta înseamnã cã timpul de zbor poate creºte în curând de la 30 minute la 300 adicã 5 ore ceea ce este mai mult decât se poate stoarce dintr-un rezervor normal la un singur start (cel puþin la paramotor). Oare, zilele motoarelor termice încep a putea fi numãrate?

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

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


 
Belps
   

Kapcsold linkek
   

Hr rtkelse
   

Parancsok
   

Kapcsold rovatok

Avion UltrausorGirocopterMoto-deltaplanParamotorPlanoareTot ce zboaraVazute de sus

Tartalomkezelõ rendszer: © 2004 PHP-Nuke. Minden jog fenntartva. A PHP-Nuke szabad szoftver, amelyre a GNU/GPL licensz érvényes.
Oldalkszts: 0.13 msodperc