22

r

OD i DO CZY

TELNIKÓW

D

o napêdu niewielkich pojazdów

ekologicznych, takich jak: rowery,

skutery, ³odzie oraz samochody,

zasilane ogniwami fotoelektrycz-

nymi, stosowane s¹ silniki elektryczne o mo-

cy od 0,1 do 1,5 kW i napiêciach zasilania od

kilkunastu do kilkuset woltów. W eksperymen-

talnych konstrukcjach, w celu zwiêkszenia

sprawnoœci, obwody magnetyczne wykonuje

siê miêdzy innymi z kompozytów metali ziem

rzadkich, a na uzwojenia silnika stosuje siê drut

ze z³ota.

W wielkim australijskim wyœcigu pojazdów

z napêdem ”s³onecznym” zwyciê¿y³ pojazd,

w którym dopiero po 4 latach eksperymentów

zdo³ano poprawiæ parametry silnika elektrycz-

nego o kilka procent i uzyskaæ sprawnoœæ

oko³o 0,93. Nieosi¹galnym idea³em jest kon-

strukcja silnika o sprawnoœci równej 1. W prak-

tyce sprawnoœæ silników ma³ej mocy nie jest

du¿a i nie przekracza wartoœci 0,6. Z danych

znamionowych silników podawanych przez

producentów mo¿na jedynie okreœliæ wartoœci

napiêæ zasilania, mocy elektrycznej i prêdko-

œci obrotowej. Brak danych o sprawnoœci utru-

dnia wyznaczenie rzeczywistej wartoœci mo-

cy mechanicznej.

Przy projektowaniu pojazdów ekologicznych,

zasilanych zazwyczaj z akumulatorów o nie-

wielkiej pojemnoœci, istotne jest, aby zasiêg ja-

zdy by³ jak najwiêkszy, a to zale¿y od spraw-

noœci silnika.

Po ukazaniu siê w ReAV nr 2/2000 artyku³u pt.

”Regulator prêdkoœci roweru z napêdem elek-

trycznym”, wielu Czytelników pragn¹cych

skonstruowaæ pojazdy z napêdem elektrycz-

nym, zwróci³o siê z pytaniami, dotycz¹cymi

mo¿liwoœci zastosowania ró¿nych typów pr¹-

dnic samochodowych i ich przeróbek na silni-

ki elektryczne.

Wykonanie opisanego w artykule pojazdu po-

przedzone zosta³o szeregiem badañ trakcyj-

nych. Mierzono m.in. konieczn¹ wartoœæ si³y

ci¹gu w funkcji prêdkoœci, przy zmiennej war-

toœci ciœnienia w ko³ach oraz ró¿nej wadze i po-

zycji rowerzysty. Po przeanalizowaniu wyników

badañ przyjêto, ¿e do napêdu roweru-skute-

ra z prêdkoœci¹ od 10 do 25 km/h konieczny

jest silnik elektryczny o mocy mechanicznej

oko³o 100 do 250 W, a najtañszym dostêpnym

Ÿród³em zasilania jest akumulator samochodo-

wy o pojemnoœci oko³o 50 Ah. Silniki elek-

tryczne, które po niewielkich przeróbkach

mo¿na adaptowaæ do napêdu roweru, to silni-

ki do ³odzi (produkcji zachodniej), lecz s¹ one

drogie _ cena oko³o 1500 z³. Najtañszym roz-

wi¹zaniem mo¿e byæ przeróbka pr¹dnicy sa-

mochodowej o mocy elektrycznej nie mniej-

szej ni¿ 300 W i przystosowanie do pracy sil-

nikowej. Niestety, sprawnoϾ przebadanych kil-

kunastu pr¹dnic i silników nie przekracza³a

0,5, a zatem zmiany konstrukcyjne powinny

zmierzaæ do zmniejszenia wszelkich strat. Po-

prawa sprawnoœci to mniejszy pobór pr¹du

i lepsze osi¹gi pojazdu. Wszelkie przeróbki wy-

magaj¹ jednak du¿ych umiejêtnoœci konstruk-

cyjnych i dobrego wyposa¿enia warsztato-

wego. Aby wyznaczyæ sprawnoœæ silnika, ko-

nieczne by³o zbudowanie stanowiska ba-

dawczego z hamowni¹, do pomiaru m.in.:

momentu obrotowego, pr¹du, strumienia ma-

gnetycznego, prêdkoœci obrotowej i napiêcia

zasilania.

W praktyce, aby oceniæ wartoœæ przeróbek

zmierzaj¹cych do zwiêkszenia sprawnoœci,

wystarczy mierzyæ pr¹d pobierany na biegu lu-

zem oraz zmiany prêdkoœci obrotowej wa³u sil-

nika. Ze wzrostem strumienia magnetyczne-

go w obwodzie magnetycznym (moment obro-

towy roœnie), prêdkoœæ obrotowa powinna

zmaleæ (przy I = const.). Przy spadku strat

mechanicznych, np. tarcia ³o¿ysk czy szczo-

tek komutatora (przy I = const.), prêdkoœæ

obrotowa powinna wzrosn¹æ.

Wykorzystuj¹c doœwiadczenie z udanych

adaptacji ró¿nych pr¹dnic do pracy silniko-

wej, które pozwoli³y na uzyskanie sprawnoœci

0,7, poni¿ej podano kilka praktycznych wska-

zówek. Aby w efekcie zmian konstrukcyjnych

uzyskaæ najwiêkszy wzrost sprawnoœci silnika

elektrycznego, nale¿y kolejno:

q

Zmniejszyæ straty w obwodzie magne-

JAK POPRAWIÆ SPRAWNOŒÆ

SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH DO POJAZDÓW

EKOLOGICZNYCH

tycznym przez zmniejszenie szczeliny powie-

trznej miêdzy wirnikiem 1, a nabiegunnikami 5.

Skutecznym zabiegiem jest umieszczenie

w miejscu 3, miêdzy obudow¹ stojana 4, a na-

biegunnikami 5, jednej lub kilku warstw cien-

kiej blachy stalowej o gruboœci oko³o 0,05 do

0,1 mm. Blachê nale¿y wstêpnie wy¿arzyæ

w temperaturze oko³o 900

o

C, a nastêpnie

oczyœciæ papierem œciernym i wyg³adziæ. Po-

wy¿sze zabiegi, po dok³adnym wykonaniu,

umo¿liwiaj¹ maksymalne _ bezszczelinowe

dopasowanie nabiegunników 5 do obudowy

stojana 4. W kilku egzemplarzach pr¹dnic

i silników stwierdzono, ¿e szczeliny powietrz-

ne miêdzy wirnikiem, a nabiegunnikami s¹ b.

du¿e i wynosz¹ od 0,5 do 1,2 mm. Po przerób-

kach, minimalna szczelina powinna byæ taka,

aby w czasie pracy i po nagrzaniu siê, wirnik

nie ociera³ siê o nabiegunniki;

q

Zmniejszyæ straty wynikaj¹ce z dodat-

kowego poboru pr¹du przez uzwojenia

bocznikowe o wartoœci oko³o 3 do 5 A, przez

usuniêcie nabiegunników z uzwojeniem i wpro-

wadzenie magnesów sta³ych 5.

Ferrytowe magnesy sta³e do przeróbek mo¿-

na pozyskaæ z czêœci ró¿nych z³omowanych

silników. Kszta³t i wymiary magnesów nale¿y

dobraæ tak, aby pasowa³y w miejsce usuniê-

tych nabiegunników, a œrednica wewnêtrznej

powierzchni by³a wiêksza od œrednicy zewnê-

trznej wirnika o ok. 0,1 mm. Korektê wymiarów

mo¿na przeprowadziæ przez szlifowanie ka-

mieniem œciernym. Magnesy 5 nale¿y zamo-

cowaæ do obudowy stojana 4 uchwytami 2,

które mo¿na wykonaæ z odpowiednio wypro-

filowanych pasków sprê¿ystej blachy stalo-

wej lub mosiê¿nej. Prawid³owa przeróbka po-

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 4/2003

Schemat silnika

a _ przekrój pod³u¿ny, b _ przekrój po linii A-A

1 _ wirnik. 2 _ uchwyty sprê¿yste magnesów, 3 _ umiejscowienie wk³adek do regulacji szczeliny,

4 _ obudowa stojana, 5 _ magnesy sta³e, nabiegunniki

winna zapewniæ niezmienion¹ lub wiêksz¹

wartoϾ strumienia w obwodzie magnetycz-

nym. Mierz¹c pobór pr¹du i prêdkoœæ obroto-

w¹ silnika na biegu ja³owym nale¿y sprawdziæ,

czy wartoœci ww parametrów pozosta³y sta³e

lub zmala³y o kilka procent. W przeciwnym

przypadku nale¿y dobraæ inne magnesy sta-

³e o wiêkszej indukcji magnetycznej;

q

Zminimalizowaæ straty mechaniczne

wynikaj¹ce z tarcia szczotek o komutator,

przez zmniejszenie si³y docisku szczotek

o oko³o 30%.

Sprê¿yny dociskowe szczotek o mniejszej

sile docisku, po wymianie lub odpowiednim wy-

giêciu, powinny zapewniæ prawid³ow¹, bezi-

skrow¹ komutacjê przy obci¹¿eniu silnika mo-

c¹ maksymaln¹.

q

Zmniejszyæ straty cieplne wystêpuj¹ce na

rezystancji uzwojeñ wirnika, przez zmniejsze-

nie liczby zwojów o oko³o 20%.

Uzwojenia typowych wirników pr¹dnic samo-

chodowych zapewniaj¹ generowanie napiêcia

o wartoœci do 15 V przy prêdkoœci obrotowej

od oko³o tysi¹ca do kilkunastu tysiêcy obr/min.

23

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 4/2003

W pracy silnikowej napiêcie zasilania z akumu-

latora jest mniejsze i z regu³y nie przekracza

11,5 V, a prêdkoœæ obrotowa na biegu ja³owym

wynosi oko³o 1200 obr/min. Przy obci¹¿eniu

i poborze pr¹du oko³o 35 A, prêdkoœæ obroto-

wa spada do oko³o 600 obr/min. Zmniejszenie

liczby zwojów uzwojeñ wirnika, jak i powiêksze-

nie œrednicy drutu o oko³o 20% powoduje pro-

porcjonalny wzrost prêdkoœci obrotowej i mo-

mentu obrotowego silnika. Przeróbki s¹ mo¿-

liwe jeœli sposób nawiniêcia uzwojeñ wirnika

umo¿liwia przeciêcie i wy³¹czenie z pracy kil-

ku zwojów. Nieczynne _ przeciête zwoje dru-

tu mo¿na bez usuwania pozostawiæ w ¿³ob-

kach wirnika, a wolne koñce czynnych _ po-

nownie wlutowaæ do komutatora. Gdy taki za-

bieg jest niemo¿liwy, wirnik nale¿y ca³kowicie

przezwoiæ drutem o wiêkszej œrednicy ze

zmniejszon¹ o 20% liczb¹ zwojów;

q

Poprawiæ warunki ch³odzenia silnika

przez ukierunkowanie przep³ywu powietrza

wzd³u¿ osi wirnika. Przy ma³ej prêdkoœci

obrotowej, oko³o 1000 obr/min, ch³odzenie

turbink¹ wentylatora odœrodkowego jest niewy-

dajne, a silnik grzeje siê do temperatury ok.

90

o

. W celu poprawy ch³odzenia nale¿y turbin-

kê usun¹æ, a w obudowie ³o¿ysk lub stojana

nawierciæ kilka otworów umo¿liwiaj¹cych swo-

bodny przep³yw powietrza. Wykonanie z do-

wolnego materia³u ”kieszeni” owiewki kierun-

kuj¹cej wlot powietrza do silnika wp³ywa na ob-

ni¿enie temperatury pracy do oko³o 40

o

C.

Reasumuj¹c, zalecane tu przeróbki znacz¹co

wp³ywaj¹ na wzrost sprawnoœci silników elek-

trycznych. Poprawa sprawnoœci to mniejszy

pobór pr¹du i lepsze przysz³e osi¹gi pojazdu.

Potencjalni konstruktorzy, np. rowerów z dodat-

kowym wspomagaj¹cym napêdem elektrycz-

nym, powinni rozwa¿yæ, czy sta³e ”wo¿enie”

dodatkowego ciê¿aru oko³o 20 kg (akumula-

tor + silnik) jest celowe.

Przy zastosowaniu silnika o du¿ej sprawnoœci

i mocy mechanicznej wiêkszej ni¿ 250 W, alter-

natywnym mo¿e byæ, skonstruowanie lekkiego

skutera bez zbêdnych czêœci rowerowych.

n

Wac³aw Klein