«ЭЛЕКТРОСАЛЮТ»

Электрические лодочные моторы, как известно, старше бензиновых. Еще в сентябре 1838 года выдающийся физик и электротехник, член Петербургской Академии наук Борис Семенович Якоби установил изобретенный им электродвигатель на лодку с гребными колесами. Она двигалась по Неве с 14 пассажирами со скоростью до трех верст в час (3,2 км/ч). Питание двигателя мощностью около 0,25 л.с. (примерно 185 Вт) осуществлялось от 320 гальванических медноцинковых элементов массой 200 кг.

Председателем «Комиссии, учрежденной для применения электромагнитной силы к движению по способу профессора Якоби» был назначен выдающийся путешественник вице-адмирал И.Ф. Крузенштерн. К навигации 1839 года была построена новая лодка с электромотором мощностью примерно 0,75 л.с. (550 Вт) и питанием от 69 значительно более дорогих платиново-цинковых элементов. Скорость лодки достигла трех узлов (5,5 км/ч). Об успешных испытаниях лодки с электроприводом появились восторженные отзывы в печати. Майкл Фарадей прислал Якоби личное письмо, в котором писал: «Я душевнейшим образом желаю, чтобы Ваши большие труды получили высокую награду, которую они заслуживают… Как подумаю только об электромагнитной машине на «Грейт Вестерне» или на «Бритиш Куин» и отправки их этим способом в плавание по Атлантическому океану или даже в Ост-Индию! Какое это было бы славное дело!»

Однако расчеты самого Якоби показали, что если принять за минимальную мощность большого «электрохода» всего 10 л.с., то гальваническая батарея обойдется в 10 — 40 раз дороже паровой машины той же мощности. «Химическая энергия в настоящее время дороже механической», — с сожалением констатировал Якоби.

Этот небольшой экскурс в историю показывает, что проблемы, с которыми почти двести лет назад столкнулся профессор Якоби, не решены окончательно и сегодня. Главное препятствие тому -отсутствие легких и, что не менее важно, недорогих химических источников тока.

До сих пор они в основном представлены весьма тяжелыми свинцовокислотными аккумуляторами Планте, изобретенными еще в XIX веке, но остающимися непревзойденными по критерию стоимость/энергоемкость. В нашем XXI веке произвели настоящую техническую революцию литий-ионные аккумуляторы нескольких разновидностей, за изобретение которых в 2019 году была присуждена Нобелевская премия. Сравнение технологий XIX и XXI веков приведено в таблице. Замечу, что я не преследую каких-либо рекламных целей, продвигающих новые технологии, и поэтому поместил данные не фирмы Tesla, а характеристики реальных аккумуляторов, продававшихся в Москве в 2019 году.

Указанная в таблице энергоемкость аккумуляторов 700 — 800 Вт ч обеспечивает всего примерно 2,5 часа полного хода при более чем скромной мощности 300 Вт. Скорость лодки в водоизмещающем режиме пропорциональна кубическому корню мощности двигателя и слабо зависит от водоизмещения и обводов судна. Для приближенного расчета можно воспользоваться кривой зависимости скорости судна от мощности двигателя.

Таким образом, электромотор с питанием от тяговых аккумуляторов позволяет при мощности около 300 Вт за один час удалиться от места старта на 4-5 км, полчаса порыбачить, а за второй оставшийся час вернуться обратно и приступить к зарядке аккумулятора. В принципе, все то же самое можно проделать и на веслах…

Попробуем воспользоваться достижениями науки и техники XXI века и соберем литий-ионную батарею той же массы, что и свинцово-кислотная — около 20 кг. Ее энергоемкость составит примерно 3 кВт*ч. Моторчик тоже возьмем помощнее — 600 Вт, он обеспечит нам скорость около 6 км/ч. В результате за два часа мы удалимся от базы на 12 км, один час порыбачим и еще за два часа вернемся домой. Медленно, конечно, но уже неплохо. Вот только цена такой батареи… Да и заряжать ее нужно так же долго, как и свинцово-кислотную. Короче, если московская мэрия может легко позволить себе 300 электробусов по 34 млн руб. за штуку, то отдельно взятый налогоплательщик — рядовой рыбак или турист — вряд ли…

Впрочем, если использовать солнечную энергию, то можно найти довольно привлекательный вариант. Цена 12-воль-товой солнечной панели мощностью 150 Вт составляет, в зависимости от исполнения — стационарного или переносного, 10-15 тыс. руб. Ее площадь равна примерно 1 м2, а масса 10 — 15 кг. В тяговом варианте она может работать совместно с буферной АКБ емкостью 60 — 80 А ч и электромотором с регулируемой мощностью 150 — 300 Вт. При мощности 150 Вт скорость лодки составит около 4 км/ч, и она может поддерживаться неограниченно долго за счет солнечной энергии. Тоже небыстро, зато можно слушать в тишине журчание воды и кваканье лягушек. Проблема дальности плавания решена. При необходимости преодолеть встречное течение или ветер можно увеличить потребляемую мощность до 300 Вт, скорость до 5 км/ч и поддерживать ее в течение 2-3 часов за счет разряда аккумулятора. В этом варианте два компонента силовой установки из трех будут иметь двойное назначение: аккумулятор может использоваться как стартерный на автомобиле, а солнечная панель обеспечит его зарядку, а также питание других потребителей на стоянке, например, холодильника. Примерно к таким же выводам об оптимальном составе солнечной энергосиловой установки для своего катамарана пришел и коллега-самодельщик Олег Снеговской (см. «М-К» № 12-2017). В его статье можно ознакомиться с интересными подробностями ее устройства и результатами испытаний.

Однако вернемся к собственно подвесным лодочным электромоторам. Рассмотрим возможные варианты. Первый имеет расположенный сверху электромотор и привод на гребной винт гибким валом. Такую конструкцию можно очень просто сделать из электротриммера, нужно только заменить моторчик на 12-воль-товый, так как 220 В на воде очень опасны. Второй отличается тем, что привод на винт осуществляется через редуктор с передаточным отношением 0,4-0,6, как на всех лодочных моторах. Это позволяет снизить частоту вращения винта и поднять его к.п.д. примерно в 1,5 раза. Такую конструкцию проще всего собрать на «ноге» маленького бензинового ПЛМ.

Третий и четвертый варианты отличаются «нижним» электромотором в герметизированном корпусе. При этом третий имеет простейший прямой привод на винт. Именно так был устроен советский моторчик «Снеток» ЭПЛ-2-У5 мощностью всего 145 Вт. Известно, что в 1981 году советское правительство вдруг решило бороться за экологию и запретило использование бензиновых ЛМ не только на всех несудоходных водоемах, но даже и на многих судоходных. В результате «Снеток» выпускался Псковским электромашиностроительным заводом без изменений с 1975 года (сейчас его производство прекращено, но еще распродают последние «остатки»). В настоящее время на импортных электромоторах наиболее распространена более эффективная четвертая схема, когда вращение от расположенного снизу двигателя передается на винт через понижающий редуктор.

Лодочные электромоторы очень просты по конструкции, поэтому среди них нередко встречаются и самодельные, как правило, с верхним расположением двигателя. Рекордсмен по простоте, наверное, в котором в качестве двигателя используется аккумуляторный шуруповерт, а движителем служит авиамодельный пропеллер. Проще только «моторы» с ручным приводом — есть и такие!

МУКИ ВЫБОРА

Интерес к электромоторам у меня появился, можно сказать, случайно. Просто «в хозяйстве» оказалась не востребованная ни в одном из предыдущих проектов «нога» от ПЛМ «Салют» со вполне исправным редуктором. Вот и задумался, куда бы ее пристроить…

Приступая к работе, в первую очередь надо определиться с мощностью мотора и с рабочим напряжением. Я решил, что для уверенной работы в условиях встречного ветра и течения необходима максимальная мощность не менее 300 -500 Вт. При этом она обязательно должна быть регулируемой, чтобы на экономичном режиме можно было бы снизить мощность до 100 — 200 Вт. Очень заманчиво увеличить рабочее напряжение до 24 и даже до 42 В, что позволит уменьшить сечение проводников и потери на их нагрев, которые, как известно из закона Джоуля-Ленца, пропорциональны квадрату тока. Однако, чтобы иметь возможность использовать автомобильные АКБ, я все же остановился на напряжении 12 В. Как раз пришло время замены аккумуляторов на машине, и вместо них я поставил морские стартерно-тяговые Deka DP 24DT емкостью по 85 А ч. Они предназначены для катеров и домов на колесах и, в отличие от обычных стартерных, допускают многократный глубокий разряд. Правда, такие источники тока немного дороже и тяжелее.

Осталось подобрать подходящий по характеристикам 12-вольтовый электромотор. Автомобильные и мотоциклетные стартеры вполне подошли бы по мощности, но они совсем не годятся для длительной работы. Большинство из них даже не имеет подшипников качения, их роторы вращаются в бронзовых втулках. Из остальных автомобильных электромоторов самые мощные установлены в электровентиляторах систем охлаждения двигателей. Они рассчитаны на длительную работу, но их мощность, к сожалению, не превышает 150 Вт. Более мощные встречаются на грузовиках, но они 24-вольтовые. Раньше на лодочные моторы иногда устанавливали автомобильные генераторы постоянного тока, которые могут работать как коллекторные двигатели постоянного тока, но они вышли из употребления еще со времен старой «Волги» ГАЗ-21.

Пребывая в тяжелых раздумьях, я вспомнил об электролебедках. Легкие и компактные моторчики мощностью около 500 Вт устанавливаются на лебедки для квадроциклов (ATV). Правда, не все они 12-вольтовые, а многие собраны в одном блоке с планетарным редуктором. Такие тоже для нас не подходят, так как не имеют переднего подшипника. Из немногих оставшихся лучше всего подошел 500-ваттный двигатель от китайской лебедки Т-МАХ ATV-PRO 2500. Он представляет собой коллекторную электрическую машину постоянного тока со статором на постоянных магнитах. Масса мотора всего 2,3 кг. При 30 А потребляемого тока мощность достигает 350 Вт. На мой выбор повлияло и то, что хвостовик его ротора представляет собой квадрат размером 8×8 мм, что как раз стыкуется с вертикальным валом лодочного «Салюта». Цена такого электромотора в Москве зимой 2020 года составляла 5260 руб.

Таким образом, все работы по установке электродвигателя на «ногу» «Салюта» сводятся к изготовлению несложной переходной плиты. Гребной винт БАВ-9 — трехлопастной от последней версии «Салюта» — «Салют-2,5» с шагом 90 мм и диаметром, уменьшенным в соответствии с мощностью мотора до 120 мм. Впрочем, по расчетам подойдет и обычный «салютовский» двухлопастной винт. В качестве румпеля для управления использована прочная и легкая раздвижная рукоятка от садовых ножниц. Вторая рукоятка пошла на другой проект (расскажу о нем в следующей статье). Масса конструкции в сборе -всего 5,8 кг.

Оставались некоторые сомнения в возможности длительной работы данного мотора. Такие устройства рассчитаны на повторно-кратковременную эксплуатацию и не имеют ни радиаторов, ни вентиляторов охлаждения. Хотя режим работы лодочного мотора по сравнению с лебедкой щадящий — на пониженном токе, с обдувом свежим ветром. Все это мне и предстояло проверить испытаниями…

БЛОК ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Лодочные электромоторы промышленного изготовления обычно выпускаются со встроенными органами управления -регуляторами тока, переключателями режимов и т.п. С точки зрения производителя, это правильно — покупатель получает сразу все в одном блоке, а какой он подключит аккумулятор — это его личное дело. Но в эксплуатации удобнее, чтобы все управление и контрольные приборы были сосредоточены в аккумуляторном блоке, а на моторе остался только легкий складной румпель. Таким образом, аккумуляторный блок превращается в блок питания и дистанционного управления (БПУ).

Как уже говорилось, лодочный электромотор должен быть многорежимным, то есть иметь режим максимальной мощности и несколько экономичных режимов с уменьшенным током потребления. Лучше, если регулирование будет осуществляться бесступенчато. Самый простой способ управления электродвигателем постоянного тока -реостатный. Такой применяется на «Снетке» (два фиксированных режима на 10 и 15 А потребляемого тока), на самых дешевых импортных лодочных электромоторах и в переключателях режимов вентиляторов автомобильных отопителей. Однако, с точки зрения экономии драгоценной энергии аккумулятора, реостат — не лучшее решение, поскольку он расходует ее на нагрев окружающей среды.

В наш век электроники существуют более экономичные регуляторы мощности электромоторов постоянного тока, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ-регуляторы). Принцип действия их заключается в том, что напряжение питания подается на двигатель в виде импульсов. При этом частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность меняется в зависимости от заданной мощности. ШИМ-сигнал характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения (duty cycle). Эта величина обратна скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду: D = (t/T)-100%. При таком методе регулирования скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала. Потери мощности теоретически отсутствуют, но на самом деле силовые транзисторы греются весьма прилично.

Принципиальные схемы широтноимпульсных регуляторов несложны, сделать их не составит труда даже начинающему радиолюбителю. Но, не будучи таковым, я предпочел приобрести готовое устройство китайского производства. В комплект подобных ШИМ-регуляторов входят собственно схема, собранная на плате, выносной потенциометр с ручкой регулирования, иногда цифровой индикатор выходной мощности в процентах.

Печальный опыт показал, что эти китайские изделия обычно не имеют запаса мощности, поэтому лучше выбирать регулятор, рассчитанный на ток, примерно вдвое больший максимального для электромотора. В моем случае это 50 — 60 А. Цена 60-амперного ШИМ-регулятора составляет примерно 2000 руб.

Все элементы, кроме аккумулятора, установлены на внутренней стороне крышки аккумуляторного блока. Полная масса БПУ, включая АКБ, составила 21 кг.

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Электромоторы, по сравнению с бензиновыми, имеют не только множество недостатков, но и два неоспоримых преимущества: бесшумность и экологичность («нулевой выброс»). Поэтому проводить их испытания можно не дожидаясь лета и не выходя из дома — в ванной собственной квартиры, например. Мне интересно было измерить тягу и тепловыделение при различном потребляемом токе. Кроме того, была возможность взять на испытания «Снеток», чтобы сравнить тяговые характеристики своего «ЭлектроСалюта» с верхним расположением электромотора и редуктором и простейшего электро-ПЛМ с нижним мотором и прямым приводом на винт.

При тестировании измерялись ток, напряжение, тяга (динамометром) и температура (инфракрасным термометром). Первым делом выяснилось, что транзисторы «энергосберегающего» ШИМ-регулятора греются весьма сильно. Даже сильнее, чем сам электромотор. Тепловой режим регулятора вошел в норму только после установки в аккумуляторном блоке небольшого вентилятора.

При более длительной работе поползла вверх температура электромотора. За 20 минут на полной мощности при токе 30 А температура его верхней (коллекторной) части повысилась до 80 °С и продолжала расти. Пришлось прервать испытания и закрепить на моторе радиатор охлаждения. С ним его температура выросла до 80 °С за 30 минут и перестала подниматься, выйдя на «полку». После непрерывной работы на полной мощности в течение одного часа я посчитал проблему решенной.

Бесшумность «ЭлектроСалюта» оказалась весьма относительной. При работе без нагрузки (на воздухе) и на максимальных оборотах прямозубые шестерни редуктора издают резкий и неприятный визг. В воде, под нагрузкой, частота вращения винта намного ниже и редуктор визжит уже вполне терпимо. Тем не менее, если есть выбор, лучше использовать редуктор с косозубым зацеплением от какого-нибудь импортного ПЛМ. Зато «Снеток» с прямым приводом на винт, как и следовало ожидать, абсолютно бесшумен.

Зависимость тяги (или как говорят судостроители — упора) лодочных электромоторов от потребляемого тока показана на графике. Для «Снетка» 15 А — это максимально допустимый ток, но кратковременно я его «разогнал» до 17 А. «ЭлектроСалют» с мотором от лебедки кратковременно допускает до 50 А, но дать больше 30 А (примерно 350 Вт потребляемой мощности) не позволил ШИМ-регулятор. Полученные кривые показывают, что электромоторчики вполне подчиняются закону сохранения энергии: при равном токе 15 А создаваемая ими тяга равна примерно 5,5 кгс для обоих. «ЭлектроСалют» при максимальном токе 30 А развивает примерно 9 кгс тяги. С радиатором он может работать в этом режиме длительно, пока не разрядится АКБ. Для сравнения, 2-сильный бензиновый моторчик, такой как «Салют», создает тягу 20 кгс.

Правда, при верхнем расположении электромотора ничто не мешает увеличить его мощность, например, до 1000 Вт, как это сделал Василий Румянцев из Москвы. Но в этом случае уже не обойтись без дорогого литий-ионного аккумулятора. Солнечная энергия при такой мощности тоже не спасет, так как площадь солнечной панели мощностью 1000 Вт составляет примерно 6,5 м2.

Сравнение характеристик современных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей равной энергоемкости

Григорий ДЬЯКОНОВ