¿Disminuye la relación potencia-peso continua de los motores eléctricos con el tamaño?

Question

Antecedentes : Según la sección de resumen del DEP de este Documento de la NASA Las empresas de aviación están interesadas en la propulsión eléctrica distribuida (DEP) porque la relación potencia-peso de los motores eléctricos, que no depende de la escala, permite obtener ventajas aerodinámicas de la propulsión distribuida.

Sin embargo, me cuesta entender esa afirmación en el contexto de los motores eléctricos disponibles en el mercado. Pequeños motores refrigerados por aire Motores para aficionados tienen supuestamente relaciones continuas de potencia/peso de >7 kW/kg, mientras que el Motor de CA tiene una relación "récord" de 5 kW/kg con refrigeración líquida .

¿Qué pasa?

Pregunta : ¿La relación potencia/peso de los motores eléctricos no cambia con el tamaño, o simplemente la relación potencia/peso frente al tamaño no cambia tan rápidamente en comparación con los motores de combustión?

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EDITS/Comprensión hasta el momento : Según Neil_UK, Brian Drummond y Charles Cowie, la capacidad de un motor para disipar el calor es proporcional a la superficie ( \$Q \sim DL\$ ) mientras que su la potencia máxima es proporcional al volumen ( \$P_{max} = T_{max}\omega \sim(D^2L)\omega\$ ). Suponiendo que el peso es linealmente proporcional al volumen ( \$W \sim D^2L\$ ), entonces la relación potencia/peso continua de los motores eléctricos realmente disminuye con el tamaño porque

\$ P_{cont}/W \sim DL/D^2L \sim 1/D \$

¿Correcto?

Answer 1

Los motores para aficionados suelen funcionar con paquetes de baterías que duran unos pocos minutos, por lo que no suelen tener potencias continuas honestas.

Tenga en cuenta la clasificación "continua" en "especificaciones" en su ejemplo vinculado es calificado por (180s) . Es decir, admiten que puede generar esa potencia nominal durante 3 minutos como máximo. En ese momento sólo empieza a calentarse; una potencia nominal continua real será menor, para evitar que se queme el motor..

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Sin embargo, los dos puntos de las otras respuestas también son buenos.

Neil tiene toda la razón en que los motores más pequeños se refrigeran más fácilmente por aire gracias a la mayor superficie/volumen.

Charles tiene razón al señalar que el aumento de la velocidad incrementa la potencia de forma "gratuita" en un motor eléctrico (desde el punto de vista de la eficiencia y el calor desperdiciado; hasta los límites prácticos de las velocidades de los rodamientos y la resistencia de los materiales), mientras que el aumento del par cuesta eficiencia, a través del aumento de la corriente y, por tanto, de la pérdida de calor en la resistencia del bobinado. Por lo tanto, el funcionamiento rápido de los motores más pequeños aumenta la eficiencia. (Sin embargo, los propulsores grandes y lentos producen un empuje más eficiente, por lo que es de esperar que los motores rápidos se reduzcan).

Answer 2

Los pequeños motores de hélice para aficionados tienen una elevada relación potencia/peso porque los pequeños motores y las pequeñas hélices pueden funcionar fácilmente a altas RPM, en el orden de magnitud de las 10.000 RPM. El documento citado se refiere a motores en el área de 2000 a 3000 RPM.

El peso y el volumen del motor son en cierto modo proporcionales al par y no están tan relacionados con la potencia. Un motor de un tamaño determinado proporcionará el mismo par en una amplia gama de velocidades. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la potencia para el mismo tamaño de motor. Lo mismo ocurre en general con los motores térmicos.

Comprueba si el documento citado tiene sentido teniendo esto en cuenta.

Sigo sin entender la conexión de estos 2 argumentos con el documento de la NASA.

El documento es extenso y complejo. Cita varias referencias a otros documentos. Este foro está destinado a tratar sólo cuestiones relativamente limitadas. Sólo he examinado brevemente el documento.

Si los motores térmicos también siguen esta tendencia, ¿por qué la gente persigue el DEP de repente?

El diseño de aviones eléctricos de gran tamaño es un campo nuevo. Es de esperar que se exploren muchos enfoques. Hay una historia significativa en la determinación del número óptimo de motores para los aviones, como se ilustra a continuación.

... la relación potencia/peso continua de los motores eléctricos disminuye realmente con el tamaño...

Dado que la potencia = par X velocidad de giro, una relación potencia/peso sólo tiene sentido si el par o la velocidad son constantes para una comparación determinada.

En todos los aspectos de esta cuestión, el equilibrio del sistema (BOS) es un factor importante. El BOS incluye el sistema de control y supervisión, el sistema de almacenamiento y suministro de combustible, el sistema de lubricación, el sistema de refrigeración, el sistema de soporte estructural y el sistema de cerramiento y quizás otros. Algunas de estas partes pueden formar parte del motor.

Answer 3

Continuo La producción de energía suele estar limitada por la refrigeración, la capacidad de deshacerse del calor residual producido principalmente por \$I^2R\$ pérdidas en las bobinas.

En un motor convencional no ventilado, la potencia máxima y el peso varían en función del volumen, una dimensión al cubo, pero la capacidad del motor para eliminar el calor varía en función de la superficie, una dimensión al cuadrado. Si se permite que esta tendencia continúe a medida que los motores aumentan de tamaño, entonces la relación continua entre el peso y la potencia (nótese cómo es esa relación) variaría como una dimensión.

Por ello, los motores grandes están siempre ventilados, o incluso refrigerados por agua, para reducir la dependencia de la superficie para la refrigeración. Añadir refrigeración por agua a un motor añade peso, que no es en sí mismo generador de energía.

Hay otro efecto más sutil que agrava el problema de la descamación. Las secciones finas de material no son tan rígidas como las gruesas. La rigidez de un motor es necesaria no sólo por su resistencia mecánica, sino también para elevar la frecuencia de las resonancias mecánicas por encima de la velocidad de funcionamiento del motor. Esto significa que los cables y los elementos de soporte tienden a ser más gruesos en los motores más grandes por razones mecánicas que por razones térmicas. Esto significa que la potencia continua se reduce a menos de una dimensión al cubo, incluso con refrigeración activa.