Ellära för skalenliga modellbyggare

 

Ellära för skalenliga modellbåtsbyggare.

Många av våra modeller drivs fram av elmotorer av likströmstyp som tar sin energi (J, Joule) från batterier via ett elektroniskt fartreglage. Den energi ett batteri kan lagra brukar beskrivas i amperetimmar (Ah) vid en viss spänning (V, volt). Fartreglaget reglerar den tid batterispänningen släpps igenom till elmotorn. Spänningen pulseras ut. Antalet pulser per sekund kallas fartreglagets arbetsfrekvens. Det finns reglage med allt från 10 pulser till många tiotusental pulser per sekund. Om fartreglaget pulserar ut spänningen hälften av tiden så når bara hälften av energin fram till elmotorn, jämfört med om spänningen hela tiden skulle nå fram till motorn. När nu motorn bara får hälften så mycket energi finns bara hälften så mycket energi att driva fram farkosten, som alltså åker saktare. Effekt (W, Watt) är energi per tidsenhet. Regleringen består alltså i att energin från batteriet släpps fram under en varierande del av tiden. Därmed styrs effekten.

I förra stycket står det att den spänning batteriet lämnar når motorn. Oavsätt om batteriet är av blytyp eller av nickeltyp så är det så att batteriets polspänning varierar, dels med laddstatus och dels med belastning. Det är alltså så att ett blybatteri med märkspänningen 6 V kan uppmätas till 6.5 V när det är nyladdat och obelastat och 6.0 V när det är nyladdat och belastas av en elmotor. Men när batteriet har använts en stund och börjar ta slut så kan spänningen ha sjunkit till 4 V.

En batterityp på stark frammarsch är litiumbatterier. De är kända för sin låga vikt i förhållande till energiinnehållet, samt att man kan ta ut höga strömmar (A, Ampere) ur dem. Litiumbatterier är känsliga för djupurladdning. Det vill säga de tar skada om polspänningen tillåts sjunka för lågt. Detta gäller i viss mån också nickelbatterier. Mer om detta senare. Används litiumbatterier bör speciella fartreglage användas som avbryter användandet av batteriet när spänningen är för låg.

Låt oss nu introducera effektlagen som säger att effekten (W) är lika med spänningen multiplicerat med strömmen. Effekten - som ju var energin per tidsenhet - sjunker alltså när spänningen går ner. Det är därför man ska mäta batterispänningen vid belastning för att få reda på om batteriet är okej.

Ett batteri för framdrivning av modellbåtar är vanligen uppbyggt av flera battericeller till ett så kallat batteripack. Detta för att komma upp i en högre batterispänning. Den nominella cellspänningen (spänningen över en fulladdad cell vid belastning) är 2,0 V för blybatterier, 1,2 V för nickelbatterier och 3,7 V för litiumbatterier. För att komma upp i 6 V seriekopplas t.ex. 3 blyceller eller 5 nickelceller. För blybatterier har cellerna byggts ihop redan på fabrik och syns inte. För nickelbatterier ser man ofta hur många celler som har sammankopplats, och sedan plastats in. Vid seriekoppling är det alltså spänningen som ökar. Batteriets kapacitet (Ah, Amperetimmar) är konstant vid seriekoppling. När energi tas ur ett batteri bestående av flera celler kommer det till slut att bli så att energin tar slut först i cellen som är sämst. Den cellen kommer då att tvingas jobba baklänges vilket för nickelbatterier och litiumbatterier kan vara mycket skadligt. Av just den anledningen ska man inte blanda batterier av olika kapacitet när man gör sitt eget batteripack, till exempel när man monterar batterier i sändaren.

I stycket ovan pratades det om seriekoppling för att få upp batterispänningen till en användbar nivå. Om man vill öka kapaciteten - och alltså körtiden - kan man parallellkoppla två batteripack av samma typ. Observera att batterivikten blir dubbelt så stor då. Ett alternativ är att uppsöka en hamn och byta batteripack. Man ska absolut inte ha celler parallellkopplade när man laddar dem. Laddaren har ingen chans att veta när den ena cellen är färdigladdad medan den andra fortfarande behöver laddas. På detta sätt överladdas en cell vilket skadar den.

Så här långt har vi lärt oss att energin kommer fram till elmotorn i form av elenergi. Denna elenergi omvandlas av elmotorn till rörelseenergi (rotationsenergi). Omvandlingen är inte perfekt och en del av elenergin omvandlas istället till värme. Denna värme gör att elmotorn blir varm. Värmen kan försämra motorns prestanda och i värsta fall skada den. Att ha någon form av kylning på elmotorerna är alltså ingen dum idé. Förhållandet mellan nyttig energi (rotationsenergi) och tillförd elektrisk energi kallas verkningsgrad. Verkningsgraden är alltså 1 (100 %) om ingen elektrisk energi går förlorad i elmotorns omvandling till rotationsenergi. Verkningsgraden är 0,7 (70 %) om 30 % av tillförd elenergi avgår som värme. Normal verkningsgrad i de motorer vi använder är drygt 70 % vid det varvtal och den belastning där motorn fungerar som bäst.

Olika motorer har olika verkningsgradskaraktäristik. En del har relativt flack verkningsgradskurva (lika bra/dålig inom ett brett varvtalsområde). Andra har bra verkningsgrad inom ett smalt område (oftast vid höga varvtal) och är markant sämre på lägre varvtal. Motorer som är konstruerade för en rotationsriktning har oftast relativt bra verkningsgrad åt det hållet och markant sämre på det andra. Det gäller alltså att välja en elmotor som passar den applikation man ska använda den i.

Det är vidare så att den rotationsenergi som elmotorn producerar inte enbart går åt för att rotera propellern. En del av rotationsenergin går förlorad som friktionsvärme i lager, kopplingar och eventuell växel. Det är sällan värmen i sig som är problemet, utan att en del av den energi som är avsedd för att rotera propellern går förlorad. Det innebär kortare körtid och ökat slitage på lager etc. Det är därför viktigt att vara noga med kopplingen mellan motor och propelleraxel samt toleranser mellan axel och glidlager, där glidlager används.  Att använda någon typ av fett i propelleraxelhylsan är ett vanligt sätt att se till att vatten inte läcker in i skrovet den vägen. Men friktionen som uppstår när propelleraxeln tvingas "vispa" runt fettet gör att den del av elenergin går förlorad där. Därför är en mer lättflytande olja att föredra.

Förlusterna i drivlinan kan man mäta. Genom att mäta strömmen motorn drar dels när kopplingen till propelleraxeln tagits bort och dels när kopplingen är där. Skillnaden i strömstyrka bör inte vara stor om kopplingen och axeln är bra monterade tillsammans med motorn i skrovet. Mätningen ska utföras på land utan propeller.

Friktionen i drivlinan gör sig påmind på ett annat sätt också; igångsättningsmotståndet. Om det är svårt för motorn att övervinna detta motstånd kommer båten att vara svår att mjukstarta. Krypegenskaperna påverkas dock inte när man väl fått snurr på drivlinan.

Ovan nämndes "eventuell växel". Nu är inte växel enbart en källa till förluster. En växel används främst av två skäl. Det ena är att få bättre lågfartsegenskaper. Även fast moderna elektroniska fartreglage tillsammans med elmotorer för modellbruk presterar bra vid låga varv kan det behöva ännu bättre kontroll för att smyga, och då hjälper en reduktionsväxel till. Det andra skälet är att vid användandet av en skalenlig propeller så orkar inte elmotorn riktigt med utan en reduktionsväxel. Det skulle i detta fall bli så att elmotorn fick arbeta tungt vilket i första skedet drar mycket ström och detta leder också till att motorn blir varm vilket ytterligare bidrar till förluster. För en given propeller kan en mindre elmotor användas vilket spar vikt, och ofta blir strömförbrukningen också lägre. Vad som händer med toppfarten är svårt att veta: Om motorn gick relativt lätt utan växel sjunker förmodligen toppfarten med en nedväxling, men om det går tungt utan växel kan motorn varva ur bättre med nedväxling. Det kan i så fall ge högre toppfart samtidigt som strömförbrukningen minskar.

Ett akademiskt sätt att beräkna hur länge man kan köra med sin båt med de batterier man lastat båten med är att mäta strömförbrukningen när båten är i vattnet. Om denna ström är 4 A kommer ett batteri märkt 2 Ah att räcka i 30 minuter. I verkligheten skiljer sig den beräknade tiden från den verkliga körtiden beroende på att båten förbrukar olika mycket ström i olika situationer. Det är vidare så att om belastningen på batteriet är stor blir batteriet varmt och förlorar då ytterligare kapacitet. Ytterligare en anledning är att ett batteri märkt 2 Ah kan ha sämre kapacitet på grund av ålder och/eller undermåligt underhåll.

För att alltid ha bra kontroll över båten bör radioutrustningen i båten inte drivas av samma batterier som används för att driva fram båten. Elmotorn fungerar ju trots allt även när batteriet börjar bli dåligt och inte kan leverera full spänning, förutsatt att fartreglaget inte har en underspänningsbortbrytning (en sådan kopplar bort batteriet när spänningen sjunkit så lågt att det är risk att batteriet skadas). Radioutrustningen däremot fungerar inte över huvud taget när spänningen sjunker för mycket. Så länge vikten inte sätter stopp för separata batterier till radion så är det alltså en bra försäkring för att få båten i hamn.

Lars Dahlberg
2008 08 08