Предисловие
Теория магнитных систем для большинства российских трассовиков – тёмный лес, в котором только единицы пытаются разобраться. Большинство уже давно привыкло к бесхитростному выбору мотора по типу: а на чём там едет Чемпион? Мне то же самое, пожалуйста. Где уж тут серьёзная гоночная программа (смотри ниже в тексте) и научный подход.
С другой стороны хорошей технической литературы по данной теме не так уж и много, тем более не найти её в глубинке. Да и специфика трассового моделизма не даёт всецело доверять научным изысканиям, не всегда теория пересекается с гоночной практикой.
Вот поэтому и пришла мысль, не изобретая свой велосипед, изучить опыт наших заграничных коллег, благо они эту информацию ни от кого не скрывают и накоплено её предостаточно.
Данная статья была опубликована довольно давно на сайте компании Slick 7, написал её Rudy Garriga, а потрудился над её переводом Ярошевич Андрей (г. Орёл). Правда переведена она не полностью, так как в России классы G-7, G-27 и Semi-pro не культивируются, то и рекомендации по подбору магнитов и магнитных систем для этих классов вам наверно не пригодятся.
Не судите строго стиль данного перевода, литературной обработкой текста, переведённого компьютерным переводчиком, особо никто не собирался заниматься, главной задачей было донести суть вопроса и некоторые специфические нюансы.
Очень надеемся, что данный материал весьма пригодится в Вашей работе по подготовке к будущим стартам.
Ярошевич А.В.
Мартышов В.Б.
Теория магнитных материалов
Что такое – Магнит
Теория магнита – очень сложный предмет, который охвачен во многих книгах для высших учебных заведений с большим уровнем сложности. Некоторые важные для трассовых гонок принципы будут раскрыты здесь в общих терминах. Я надеюсь, что этот руководящий материал поможет среднему гонщику в работе с двигателем и выбором магнита и обеспечит руководящий принцип в развитии гоночной программы.
Имеются только несколько обычных материалов, которые являются магнитными, это железо, никель и хром. Традиционно все магнитные материалы были сделаны на основе сплавов этих материалов. Кроме того, ферромагнитные материалы существуют в двух формах. Это – мягкие и жесткие магнитные материалы.
Жесткий магнитный материал – тот, который может быть намагничен постоянно, а мягкий магнитный материал намагничивается только в магнитном поле, и затем возвращается к нулевой намагниченности, когда внешнее поле отсутствует. Материал ротора – совершенный пример мягкого магнитного материала.
Материал становится намагниченным, потому что поляризованные молекулы или группы молекул, называемые доменами, выравниваются в направлении магнитного поля. Эти домены – множество микромагнитов непосредственно с “Северным” и “Южным” полюсами.
В мягком магнитном материале домены могут свободно двигаться, и когда магнитное поле применяется, они выравниваются в направлении поля и формируют магнит, но как только поле удалено, материал снова становится немагнитным. Этот тип материала используется в корпусах моторов или в пакете ротора, где полярность должна постоянно меняться.
Чтобы рассмотреть другой параметр магнитомягкого материала, применяемого в магнитопроводах двигателей, необходимо знать, что такое пара-магнитные эффекты. Это ослабление магнитных сил из-за вынужденных вихревых токов (токов Фуко), возникающих в магнитомягком материале при воздействии на него переменного магнитного поля. Дополнение сплавов подобно кремнию к железным сплавам увеличивает омическое сопротивление, материала тем самым уменьшит вынужденные вихревые токи, чтобы улучшить магнитное взаимодействие, а также как уменьшить высокую температуру от вынужденных вихревых токов в мягких магнитных материалах (что необходимо для материала пакета ротора!).
Другой метод уменьшения вихревых токов – использование многослойных пакетов ротора. Тонкие расслоения действуют подобно проводу малого диаметра и сопротивлению увеличения вихревых токов.
Для постоянного магнита, используется магнитожесткий материал, где домены зафиксированы. Очень сильным магнитным полем эти домены развернуты и зафиксированы в направлении приложенного поля, и когда поле удалено, материал остается намагниченным.
Ранние магниты были не более чем высокоуглеродистая сталь, намагниченная мощным электромагнитом, но с прогрессом в материальной науке, были разработаны сплавы с очень сильными диполями.
Теперь Вы знает некоторые основы магнитных материалов, и что такое постоянный магнит.
С этим знанием, мы входим в более точное определение магнитов и магнитных материалов.
Современные магнитные материалы
Начиная с ранних дней имелось много перемен в технологиях материалов магнитов, в итоге современные магнитные материалы могут быть пяти различных типов:
- сплав железо-неодим-бор (ЖНБ)
- сплав смарий-кобальт (СК)
- сплав алюминий-никель-кобальт(АНК)
- феррит бария и феррит кобальта
- пластмассовые, гибкие магниты
ЖНБ и СК магниты названы редкоземельными, потому что они содержат редкоземельные элементы Neodymium или Samarium и являются самыми сильнымие из доступных магнитов.
Керамические магниты имеют хорошие коэрцитивные свойства, и дешевы.
Alnico магниты были разработаны и применены в 30-ых и все еще используются сегодня, особенно в случаях работы в высоких температурах, так как обладают высокими операционными температурами.
Пластмассовые магниты – просто порошок магнита, окруженный пластмассовым или резиновым носителем. Из-за применения гибкого носителя, сила такого магнита не может сравниться с монолитным магнитом. Пластмассовый магнит, однако, это более низкая стоимость изготовления и он может быть получен в различных формах и конечно, может быть сделан как гибкий магнит.
Магниты для двигателей трассовых моделей
Двигатель трассовых моделей требует самого сильного и по возможности самого легкого магнита и в конечном итоге магнит нуждается в следующем:
- высокая коэрцитивная сила;
- высокая энергия (BHmax);
- высокая операционная температура;
- низкий температурный коэффициент.
Если рассмотреть одно из этих свойств – коэрцитивную энергию, которое получило много обсуждения среди гонщиков – трассовиков, Вы могли решить, что магнит для двигателя должен быть ЖНБ. Эти магниты обладают энергией ВН более 50MGO.
Но главная проблема этого материала – операционная температура – 200 градусов или ниже, и температурный коэффициент – около 0,1/градус.
Сравните это с СК магнитом с BH меньше чем 32MGO, но с операционными температурами 300-400 градусов и температурным коэффициентом около 0,03/градус. Это объясняет в большой степени, почему ЖНБ магнитами двигатели трассовых моделей не работают.
SLIK 7 магниты из CК имеют правильный баланс свойств, которые сделали их превосходно подходящими для двигателей трассовых моделей. Материал, который мы используем, настолько устойчив, что даже после нескольких гонок в Gr-7 не заметно изменений в свойствах магнитов двигателя. Поэтому потребность в постоянном намагничивании устранена, и двигатели менее нагреваются из-за потерь в свойствах магнита в течение гонок.
Эффекты двигателя
Вас никогда не удивляло, почему двигатель имеет 6, или 12 щелчков за один оборот ротора, и почему некоторые двигатели создают впечатление, что они имеют мертвые магниты, на самом деле обладают очень сильными?
В современных двигателях трассовых моделей это происходит главным образом из-за геометрических размеров магнита, силы краёв магнита и их положением относительно полюсов ротора. Ниже – пример 12-ти “щелчкового” двигателя с использованием магнитов 10 мм высоты и ротора 11.65 мм диаметра. Обратите внимание, что полюс ротора, маркированный “1”, щелкает через каждые 30 градусов.
Вы получаете первичные 6 щелчков всякий раз, когда ось полюса “1” совпадает с осью магнита, это дает первичные шесть щелчков. Вторичные, 6 щелчков, вы получаете, когда полюс “1” находится между краев магнита. Как Вы заметили, края магнита охватывают концы полюса “1”, когда остальные два находятся между краями противоположного магнита и они всегда приблизительно на 50 % в его поле, тогда, когда полюс “1” полностью находится в поле противоположного магнита. Это означает, что происходит натягивание к центру магнита противоположных полюсов ротора, когда ось полюса “1” совпадает с осью магнита.
Когда магниты не настолько высоки (ниже пример двигателя с магнитами высотой 9 мм), тогда Вы можете видеть, что, если первичный полюс ротора полностью находится в магните, то остальные два – еще дальше от концов полюса противоположного магнита, чем в примере, приведенном выше. Это означает, что когда полюса слишком далеко от концов полюса, центральное натягивание происходит в гораздо меньшей степени, так что щелчок, прежде всего, ощутим для положения полюса ротора, выровненного к магниту.
Когда магниты высоки (ниже пример двигателя с магнитами высотой 11.4 мм), то концы полюса магнита накладываются на полюса ротора в гораздо большей степени при положении полюса 1, выровненного к противоположному магниту, это обеспечивает очень сильное центральное натягивание. Это становится причиной очень сильного первичного щелчка сопровождаемого более слабым вторичным щелчком и ротор гораздо сложнее провернуть из-за условия нахождения в магнитном поле сразу 3 полюсов ротора.
Среди многих трассовиков бытует устойчивое мнение, что жестко щелкающий двигатель обладает сильной вибрацией и плохо управляем, как несбалансированный. Это, конечно не верно, потому что проворачивание вручную невозбужденного ротора в магнитном поле, когда полюса ротора только притягиваются к магнитам, разительно отличается от поведения ротора с электрически возбужденными катушками, в этом случае полюса не только притягиваются, но и отталкиваются от магнитов. Эксплуатационные режимы весьма отличаются от субъективных ощущений, когда вращение производится вручную.
Было произведено два испытания, нагруженный двигатель с высокими магнитами может иметь очень высоко вращающий момент, но может жертвовать высшей скоростью. С другой стороны, двигатель с меньшими магнитами и такой же нагрузкой может иметь гораздо большие обороты.
Указанная нагрузка была одинакова в обоих случаях, но полученные результаты были совершенно различны.
Угол опережения на коллекторе ротора относительно магнитов
Выбор угла опережения оказывает большее влияние на характеристики двигателя.
Большой угол опережения вообще дает увеличение оборотов и мощности на максимуме и уменьшение вращающего момента. Как Вы можете видеть на рисунке, когда полюс ротора выходит из магнита, коллектор входит в контакт со щеткой и возбуждает полюс ротора, притягивая его к середине противоположного магнита.
Боб Грин говорил мне, что характеристика двигателя основывается на работе полюса ротора и края магнита и поэтому, катушка полюса ротора выключена, когда она добирается к середине магнита. Основная работа происходит, когда полюса ротора находятся на краях магнита.
Фактически, когда полюс ротора входит в край магнита (коллектор провернут относительно ротора ) отключение катушки полюса происходит почти сразу же до того, как ось полюса ротора достигнет оси магнита. То короткое время, когда ламели коллектора, к которым подключен полюс, проходят по щетке и закорочены ею, катушка полюса ротора нейтральна и проворачивается за счет двух остальных.
Как стало ясно из рисунка, ротор с большим опережением на коллекторе имеет более длительную работу полюса на выходе из магнита и следующее становится очевидным:
- большая часть катушки находится вне поля, тем самым снижая электромагнитную силу (обратное напряжение, возникающее в катушке при движении в магнитном поле складывается с приложенным напряжение). Это увеличивает количество оборотов в минуту.
- положение полюса ротора вне магнита порождает больший угол между направлением магнитного поля магнитов и линиями магнитного поля ротора (угол скольжения), который вызывает более высокие токи и большую температуру. Этот угол может быть уменьшен с помощью магнитной системы «quad», потому что магнитное поле в ней гораздо более выровненное.
- полюс ротора уходящий от магнита, сокращает вращающий момент, потому что большее количество объема полюса находится вне рабочей области.
Именно по этим причинам, я полагаю, что ротор с большим углом опережения лучше подходит к высоким магнитам (большее значение вращающего момента и меньшее количество высокой температуры).
Другой интересный фактор – положение краев магнитов относительно ротора в течении коммутации. Ротора с более широкими полюсами имеют большее количество металла в магнитном поле, соответственно – большее количество металла, чтобы произвести более сильные магнитные поля, к этим роторам лучше всего подходят невысокие магниты, или магниты, установленные под углом. Обратите внимание на ротора, произведенные в конце 90-х в сравнении с современными, обладающими более тонкими полюсами (27-ые и C-12-е) подобно все более высоким магнитам, чем старшие арматуры. Более новые ротора имеют более тонкие полюса!
Ротора, которые имеют меньше металла, могут производить большее количество вращающего момента без потери оборотов, и потому что они могут нагреваться, более высокие магниты улучшают надежность этих арматур.
Горизонтальное или вертикальное расположение моторных щёток
В рисунке ниже, Вы можете видеть два варианта контакта с коллектором вертикальных и горизонтальных щеток. Какой из них лучше?
Рассмотрим следующие факты:
1. На рисунке можно заметить, что возможно такое положение коллектора в горизонтально расположенных щетках, где последние находятся в коротком замыкании, к счастью время и площадь контакта, где происходит короткое замыкание, очень малы, и двигатель преодолеет это положение. Однако, это короткое замыкание, даже столь кратковременное, не принесет ничего хорошего и успешно устраняется с применением вертикально установленных щеток, если только коллектор не становится очень маленьким в диаметре.
2. Переключение происходит скорее при вращении в горизонтальных щетках, так что Вы получаете эффект большего опережения при горизонтально расположенных щетках, поэтому можно считать, что в некоторых условиях, горизонтальные щетки дают большее количество мощности на максимальных оборотах.
3. Поскольку, для некоторых роторов, вертикальные щетки производят эффект меньшего опережения, Вы можете ожидать лучшее торможение, и очень большой вращающий момент.
4. Время нахождения полюса во включенном состоянии с вертикально расположенными щетками меньше в сравнении с горизонтальными, это может объяснять то, что двигатель холоднее, и менее «отзывчивый», что важно в классах Евроспорта.
5. Вертикально расположенные щетки имеют большее количество контакта со щеткодержателем.
6. Вы имеете большую площадь контакта горизонтальной щеткой и коллектора.
Мое заключение – вертикальные щетки должны быть лучше для двигателей без ограничений или двигателей с высокой мощностью, но только из-за того, что устраняется положение короткого замыкания на коллекторе. Я видел много двигателей с горизонтально расположенными щетками, гораздо лучше работающими чем с вертикальными, особенно в гонках групп – классов, где большее опережение на коллекторе, большее количество времени возбужденного состояния катушек, и меньший диаметр провода. Так что горизонтальные щетки работают лучше всего на ограниченных моторных классах подобно Gr-27 и C-12.
Размеры магнитных систем и эффекты двигателя, связанные с ними
Высота магнитов: чем выше магнитная система двигателя, тем большее количество мощности в начале разгонов и более холодный двигатель.
Длина: короткая магнитная система означает меньше веса, меньшее мощности в начале разгона, большее количество мощности в конце, и более горячий двигатель.
Центральный сегмент: присутствие или более широкий центральный сегмент магнита означают большее количество мощности в начале разгонов. Центральный сегмент также делает двигатель более защищенным к изменениям питания, двигатель не имеет тенденцию замедляться, когда питание понижается в течение заезда.
Число сегментов: большее количество сегментов двигателя делают его более эффективным, с более жесткой характеристикой, но гораздо холоднее.
Воздушный зазор: чем меньше воздушный зазор, тем больше вращающий момент, меньшее количество оборотов в минуту и более холодный двигатель.
Угол концов магнита: чем больше угол конца магнита, тем больше оборотов в минуту, меньшая мощность в конце разгона.
Толщина магнита: эффект силы Гаусса (собственно магнитный поток), уменьшается с уменьшением толщины магнита, более толстые магниты делают двигатель более холодным с большей мощностью в конце разгона.
Комбинирование угловых и плоских концов магнита: дает эффект подобно изменению опережения на коллекторе, использование углового конца на ведущем крае и плоском наконечнике на приемном крае магнита, обеспечивает большее количество оборотов в минуту.
Толщина корпуса: более толстый корпус создает более сильное магнитное поле, может способствовать большему количеству вращающего момента, и более холодной работе двигателя, тонкий же, может дать большее количество оборотов в минуту, и меньшее количества веса.
Двигатели для классов Евроспорт
Двигатели для классов Евроспорт- пожалуй самые специфичные двигатели для трассовых гонок, эти двигатели выбирают по кривой мощности.
Евроспортивный двигатель должен иметь плавную характеристику, иметь хороший эффект провала мощности в середине диапазона оборотов и максимальной мощности в конце, кроме того он должен обладать хорошим тормозным эффектом.
Магниты для Евроспортивных двигателей типично коротки, чтобы снизить мощность и вращающий момент в начале разгона, и высоки чтобы обеспечить широкую кривую мощности.
Много внимания в последнее время у гонщиков, занимает вес двигателя. Однако, вес не так важен, как хорошая кривая мощности, но слишком короткий двигатель будет иметь слишком слабую мощность в середине диапазона, и испытывать недостаток тормозов.
Выбор магнитов для двигателей класса Евроспорт
Двигатели для классов Евроспорт обычно имеют ротор диаметром .480”(12.2мм) диаметра редко больше, поэтому наиболее популярные размеры и перечень нашей продукции под этот диаметр ротора:
S7-310(номер) – .400T(высота) x .330L(длина) x .064T(толщина) – для .480 ротора в .459(11.65мм) рубашке – широко используемая кампанией the Speed Inc. cars by Lee Gilbert марка мгнитов производства SLICK 7;
S7-308 – .380T x .330L x .068T – ещё ниже мощность в начале разгона чем #310;
S7-485 – .320T x .400L x .065T – магнит для длинных роторов, масштаб 1/24;
S7-486 – .320T x .380L x .065T – магнит для обычных и коротких роторов масштаб 1/24;
S7-485 – .320T x .330L x .065T – магнит для масштаба 1/32.
Имеются много комбинаций магнитных систем для многомагнитных двигателей, но гонщики не пробовали их.
Я предложил бы:
S7-503 + (2) S7-482 – .420T x .360L x .073T – 8 магнитная система, которая должна дать плавное начало разгона, в сочетании с высокой мощностью и очень высокими оборотами на максимальных режимах. Я думаю, что первый парень, который пробует её для современных 6-46 нагруженных двигателей – будет иметь большое преимущество!
Автор: Rudy Garriga / slick7.com
Перевод: Ярошевич А.В. и Мартышов В.Б. / Скачать DOC-файл
Источник: slotracingcar.moy.su
Дополнение
Мартышов В.Б. (сообщение на сайте vk.com):
Изначально, когда самарий-кобальтовые магниты выпускались в брусках, существовала в основном одна технология получения полюсов для магнитных систем трассовых моделей – резка на электро-искровом (эррозионном) станке. У буржуев эта технология ещё называется EDM.
Так вот, вырезанный таким образом полюс имеет ряд существенных недостатков:
- сильное поле по краям;
- слабое поле по центру;
- направленность магнитных линий от полюса к полюсу по прямой.
Чтобы устранить все эти недостатки и добиться равномерного магнитного поля по всему полюсу был придуман многомагнитный полюс. То есть, полюс собирается из нескольких одинаковых брусочков. Так появились магниные системы сначала на 4 магнита (Quad), а потом на 6, 8, 10, 12 магнитов. Магнитные линии таких систем направлены не от полюса к полюсу, а ближе к центру вращения ротора мотора. Это даёт, с одной стороны, более мягкие характеристики самого мотора, а с другой стороны улучшает его динамику. Двигатель достигает максимальных оборотов быстрее, на низких оборотах нет значительного провала по мощности.
В последнее время в связи с прогрессом магнитных технологий появились магниты, по своим свойствам очень напоминающие многомагнитные системы. Это радиальнонамагниченные сектора, так называемые магниты Radial.
Источник дополнения: uaslotcar.com / vk.com
Изображение: koford.com