Search in topic

Гибридный вертолет бензин + электро

Хочу поделиться своим проектом, которым болею давно, около двух лет. Раньше не выкладывал потому что были одни только неудачи, но несколько дней назад появились первые успехи, вертолет полетел, пора выводить в свет)

Суть идеи - скрестить 700-й бензиновый вертолет и электро. Главная цель собственно сам процесс, техническое творчество. Цель второстепенная - получить большой вертолет с минимальной ценой полетного времени и достаточной мощностью для агрессивного пилотажа. Бензиновые вертолеты достаточно вялые а электрички 700-го размера пугают ценой комплекта акков, у нитро тоже стоимость вылета кусается.

В моем гибридном вертолете я использую бензиновый двигатель OS Gt15hz, и аккумулятор для 500-го класса электричек, а именно zippy compact 2700 35c 6s. Основную энергию для полета дает бензиновый двигатель, при пиковых нагрузках ему в помощь подключается электроустановка.

В течение этого времени я сломал много копий, сгорело два регулятора, два электродвигателя, раздувало акки, ломало шестерни. Я делал несколько версий собственных контроллеров, писал софт…

Если тема интересна, опишу этот путь более подробно, также буду публиковать дальнейшее развитие идеи. Для начала видео одного из первых успешных облетов несколько дней назад, основные показатели поверх видео:

Впереди много моментов требующих настроек и осмысления, но концепция имеет право на жизнь, технически интересна, вертолет полетел гораздо бодрее чем только на бензине.

Если тема интересна

конечно!!!

Очень интересно в плане творчества. Вес аппарата какой получился в итоге? Но OS Gt15hz изначально слабоват для 700-и, все же с нормальными моторами бензинычи не так уж и вялы…

Женя, КЛАСС!!!
и вертолет получился интересный, и, главное ПОЛУЧИЛСЯ!
и видео со вставленной наглядной телеметрией на высоте!

МОЛОДЕЦ!
Снимаю шляпу!

да уж, круто. Вот за такое - респект и уважуха!
пысы: больше фоток конструктива не помешало бы 😃

Вес пока неизвестен, взвесить нечем. Понимая суть вопроса могу сказать, что вес электроустановки прилично компенсируется объемом топлива, т.к. 600 мл бензина на борту - лишний груз, для GT15 это до 40 минут полета. Сейчас я заправляю максимум пол бака, а то и треть, и это все равно очень много. В дальнейшем будет другой бак, мл 100-150, сейчас обдумываю его конструкцию, классическая схема с искателем мне не нравится, хочу изобрести велосипед бак сжимающийся, типа гармошки.

Про “невялые” бензинычи конечно я в курсе, в ютубе не забанен, но это больше исключение, к тому же с неизвестным ресурсом, т.к. работать им приходится на кончике возможного, с запредельными температурами. Нормально летающий бензиновый вертолет это редкая экзотика, а это о многом говорит.

Увеличение мощности не основная цель, понятно что этого можно добиваться другим рабочим объемом двигателя. Гибридная силовая установка дает другие рабочие качества. Например возможность нормальной штатной посадки при отказе ДВС без навыков авторотации. Более “ровные” силовые характеристики, в том числе в разных положениях в пространстве. Карбюратор меняет состав смеси в зависимости от положения. Смягчение режима работы ДВС, т.е. увеличение его ресурса.

P.S. в моей текущей конструкции посадка на электротяге пока невозможна, т.к. при выключении зажигания электроустановка мгновенно вступает в действие и продолжает вращать ДВС с рабочими оборотами, не давая расцепится центробежному сцеплению. Можно дернуть кратковременно холд, но в идеале нужно добавлять обгонку.

Уже подписался на тему!
Класс!!!

Женя, приветствую! Поздравляю!
Как синхронизируются режимы ДВС и БК (обороты)?

Александр, на данный момент, контроллер БК двигателя отслеживает сигнал на серву газа от гувернера, и при открытии заслонки выше определенного угла начинает пропорционально повышать ток. При отсутствии необходимости в помощи, электродвигатель просто паразитно вращается, он без эффекта “компрессии”. Обязательно расскажу подробнее позже.

Вкратце опишу прошлые этапы. К сожалению фотографии найти не могу, словами.

1. Изначально идея казалось элементарной к осуществлению, в коробке запчастей от 500-ки были и регули и моторы. Трудностью казалось только найти место куда прилепить мотор. Рассматривались два варианта - на заводной вал либо сбоку основной шестерни. Как более легкий путь было выбрано расположение сбоку шестерни, на боковине рамы. Было изготовлено крепление из алюминиевого уголка, установлен двигатель 1600kv от 500-ки, регуль plush 80A, сигнал на регуль шел с отдельного канала приемника, пульт давал команду на вращение при выходе стика шага за определенный диапазон.
   Несколько пробных вылетов никакого эффекта не показали, во время полета крепление двигателя выгнуло и выкрошило несколько зубьев из основной шестерни. Провал.

2. В электродвигателе заменил вал на более длинный, чтобы добавить подшипник над двигателем как еще одну точку опоры. Сделал еще одно крепление удерживающее этот подшипник, т.е. выгнуть крепление с двигателем уже не получится. В качестве теста решил кратковременно поднять вертолет только на электротяге. Это даже удалось, но затем регуль plush загорелся, из него расплавленное олово полилось прямо на бак с бензином, сработала пожарная сигнализация в помещении, аккумулятор превратился в шарик и т.д… Это было глупое нарушение элементарной ТБ и глупый тест для маломощной установки… Провал.

3. Был установлен логгер основных параметров от eagle tree, регуль HK SS 70A, сигнал управления выведен на отдельный тумблер пульта. Было решено включать и отключать подачу сигнала управления на электродвигатель в полете, чтобы посмотреть дает ли это какой либо результат, т.к. на тот момент я уже сомневался в целесообразности этой затеи. Т.е. я на висящем вертолете делал резкие подрывы вверх с электродвигателем и без. Результат однозначно был, но как-то через раз, иногда с электродвигателем вертолет легче подрывался, а иногда наоборот. В какой-то из подрывов электродвигатель испустил обильный дымок… При разборе логов выяснилось что иногда электродвигатель помогал ДВС, а иногда ток зашкаливал а обороты падали, т.е. ESC терял синхронизацию и пытался “помогать” в противоположную сторону… Провал.

4. Был установлен регуль YEP 80A, т.к. я предположил что теряет синхронизацию дерьмовый HK SS (он действительно дерьмовый). Проведение тестовых вылетов показало что YEP точно также теряет синхру при переходе от 0 газа к какому-либо значению и вращающемся паразитно электродвигателе. Было решено что на регуль все время должен идти минимальный процент газа, для сохранения синхронизации. Это было проверено прямым управлением с пульта, подтвердилось, но в данном случае уже требовался контроллер для управления этим в полете.

5. Был спаян самодельный контроллер, на основе Attiny2313, написана прошивка. Контроллер отслеживал сигнал сервы газа от гувернера, сигнал управления с отдельного канала, имел разъем для подключения bluetooth, для изменения кривой реакции прямо в поле с телефона или ноутбука. В реальном полете никакой пользы от этой установки выявлено не было. Провал.

6. Решил сменить электродвигатель на меньший kv, т.к. установленный 1600 работал далеко от режима эффективных оборотов. Был установлен Hyperion 1000kv, с переделкой на длинный вал под дополнительную опору. Полетело чуть лучше, но в пределах погрешности ощущений. Никакой пользы от установки заметно не было.

В выводах было две мысли. Либо это совсем бесперспективная затея. Либо нужен другой регуль и электродвигатель. Было решено подойти к задаче заново, с полным переосмыслением.

Я решил отказаться от БК мотора 500-го класса, ведь основной идеей было использование 500-го аккумулятора, а не мотора. Нужно было что-то помощнее, на уровне 600-ки и без эффекта “компрессии”, чтобы не создавать лишнего сопротивления при паразитном вращении. По этим требованиям подошел двигатель Turnigy ferrous loss free, 1070kv. Он инраннер, без железа, легкий, без компрессии, но склонен к перегреву при использовании долговременно. Под него переделал крепления, встал совсем в притык.

Регуль был нужен принципиально другого уровня, в отличии от “модельных”. Требовалась железная синхронизация, большие возможности тонкой настройки, защиты от перегруза, перегрева и т.д. Копая интернет наткнулся на Бенджамина Веддера, парня разработавшего для электроскейтбордов свой собственный “продвинутый регуль”, под название VESC. Он подходил с лихвой под мои специфичные требования. Купить на тот момент его было нельзя, можно было только сделать, все выложено на его сайте с исходниками. Я заказал плату, компоненты, спаял этот регуль:

прошил и начал опять собирать свой гибрид. Опущу проблемы с изготовлением этого регуля, это тоже была целая череда неудач.

В конечном итоге на данный момент такая “машина”:

Если тема интересна

Тема интересна (пока-чисто технически)
С Вашей энергией и изобретательностью: взял бы на себя смелость посоветовать заняться бензиновым мультиротором: все их преимущества (простота конструкции, легкость управления и т.д) сейчас- разбиваются о полетное время:25 мин, хоть тресни.Причем- независимо от размеров: немцы делали даже такой, крторый человека поднимает- все равно 20 мин.
А вот бензиновый квадрик- мог бы эту зависимость- разорвать?
Тем более, прецеденты есть: Стингрей такой летает.

Правда, данных о времени- нет.
Удачи!

вопрос: а есть какие - то sensored brushless motors. По идее это бы могло решить проблему рассинхронизации?

Александр, спасибо за предложение. Тема бензинового многороторного аппарата интересна, но вряд ли относится к данной теме. Простота конструкции и легкость управления думаю справедливо только для электрокоптеров, с бензином все будет уже не так просто) 5 серв минимум, тяги, слайдеры и огромный гемор с вибрациями ДВС. Есть вариант гибрида мультиротора, но здесь уже есть пионер - вот его канал, посмотрите на досуге.

Игорь, думаю что это действительно решило бы проблему, но для этого нужен был соответствующий ESC, с входом под датчик положения ротора, которого у меня не было. А раз уж пришлось покупать/делать то решение от Веддера затмило все другие варианты. Это потрясающий по своим возможностям регуль, в том числе там можно и датчик положения подключать, и еще миллион свистелок. Даже есть векторное управление, но оно пока сыровато, я спалил регуль два раза играясь с векторным режимом. Надо будет открыть тему по нему, предварительно облетав в качестве основного на электричке. Для самодельщиков и энтузиастов очень крутая штука, исходники открыты, плюс заложенная возможность дописывать свой произвольный алгоритм к имеющемуся, с переключением в один клик.
Вот например я после его изготовления и ковыряния исходников пробовал играть мелодию изменением оборотов)

Проект занятный.
За ссылку на регуль отдельное спасибо!

По проекту несколько самых очевидных мыслей.

1. Моторы обязаны подключаться через отдельные обгонки. Когда бензинка крутит шестерню, на электромоторе вырабатывается эдс, что не сильно полезно для нормальной работы регуля.
2. Сначала должен быть произведен элементарный расчет по энергозатратам. Для этого не очень понятно назначение вертолета. Если для скромных полетов, то GT15HZ и так должно хватать, если для отжига, то нужно понять до какой величины отжиг. Я бы предложил какой-нибудь 4 кВт мотор. В сумме в пике выйдет 7 кВт, жить можно. Мотор должен быть 12s для уменьшения токов, батареи собрать последовательно параллельно исходя из их токоотдачи.
3. Когда на одном валу стоят два мотора, один работает постоянно, а процессом регулирования заведует второй. Алгоритм управления должен крутить бензинку на одних оборотах постоянно. Электромотор работает на поддержание стабильных заданных оборотов, входной сигнал пид-контура это отклонение оборотов в меньшую сторону. Без нагрузки эл.мотор включен, по мере увеличения нагрузки включается в работу. Можно сделать конечно плавное регулирование оборотов сначала двс, при его выходе на 100% - подключается электорегулятор, но в случае вертолета кмк это очень непросто осуществить. В случае использования обгонки проблем с синхронизацией не будет.
4. Верт должен спокойно взлетать и на электротяге без проблем.

1. Все нормально с регулем, как и с любым другим при паразитном вращении. Ключи разомкнуты, эта ЭДС никуда не идет, двигатель не оказывает сопротивления и не работает как генератор. У этого регуля есть режимы тормоза и рекуперации, но они выключены. У самолетов винт раскручивает набегающим потоком, и ничего страшного не происходит. А этот регуль специально расчитан под такие режимы работы, почитайте исходники и описание.
2. К сожалению расчеты мне не кажутся элементарными, в силу моих скудных знаний о совместной работе двс с электро. Например, двигатель 500-ки при 40 амперах потребляемых регулем, оказывает гораздо меньшую помощь ДВС, чем электродвигатель 600-ки при тех же амперах, на практике. 12S и 4 киловатта уводят от изначальной идеи, использовать батарею 500-ки для недорогих полетов на большом вертолете.
3. Работа ДВС на вертолете в одном режиме газа невозможна, т.к. нагрузка меняется настолько сильно, до отрицательной, что иногда и чуть приоткрытой заслонки достаточно чтобы перекрутить мотор. Это тупиковая затея. А вот вынести зону работы электро над 100% открытием заслонки можно, нужен примитивный контроллер, который я в состоянии сделать за вечер. Но пока это даст только экономию батареи, эта задача сейчас не стоит.
4. Данный вертолет взлетает и летит на электротяге, но недолго и очень плавно.

Сегодня игрался с настройками регулятора и тестировал подлетами только на электротяге. Вот один из подлетов с данными борта:

Согласно теории, двигатель без “железа” может и должен работать на гораздо более высокой частоте ШИМ. Практика показала уменьшение тока при увеличении частоты ШИМ, при одинаковой нагрузке, следовательно эффективность действительно растет. Разница не большая, но ощутимая. На одинаковых оборотах в висении, 16 кГц - 45 ампер в среднем, 40 кГц - 42 ампера в среднем.
Больше 42 кГц ШИМ из данного регулятора выжать не удалось, при дальнейшем увеличении в исходниках регуль перестает инициализироваться, судя по всему ошибка инициализации таймера.

Исходя из данных с борта, для висения тяжелого вертолета достаточно 850 Ватт. Все непросто в совместной работе ДВС и электро, я замечаю это с самых первых попыток. Ожидаемого мной полного сложения мощностей не происходит, по непонятным мне пока причинам. Например зная теперь сколько мощности тратится на висение, посмотрите еще раз первое видео с 2:45. Там происходит что-то непонятное. Почти полный газ и около 700 Ватт с электроустановки на висении… WTF?

Мне кажется, что только дифференциал сможет “подружить” ДВС с БК. В данном случае они душат друг друга. (без претензии на истину)

Александр, у меня тоже такие мысли, нужно как-то механически развязать ДВС и электро. Что-то не так в их совместной работе. Возможно ДВС работает рывками, при каждом движении поршня, т.к. он одноцилиндровый и практически без маховика. И возможно эти рывки нарушают правильную работу электропривода, у модельных регуляторов происходит срыв синхры, у “продвинутого” потеря эффективности или тоже срыв.
Дифференциал в моем понимании эту проблему не решит, т.к. будет передавать рывки ДВС к электродвигателю, только в противоположном направлении. У меня мысль в том чтобы добавить что-то типа демпфера, пружинного, сглаживающего рывки.
Буду рад коллективному разуму в этом техническом ребусе!)

Я думаю, оптимально и без особого утяжеления конструкции, могут помочь в решении этого вопроса обгонки. Например конструкция обгонки под пиньоном примененная в гоблине…

Жень, попробуем смоделировать ситуацию. Мощности ДВС и БК одного порядка. При резкой смене угловой скорости (импульсе) одного из них. эта разница скоростей скорее всего передастся через дифференциал валу и голове ОР. Голова не сможет передать этот короткий импульс лопастям. Лопасти немного провернутся в цапфах. По окончании импульса всё встанет в одну линию. Таким образом система будет работать как демпфер.

Буду рад коллективному разуму в этом техническом ребусе!)

Я уже писал выше два разнотипных движка без обгонок нормально не подружить.
Все остальное тоже в силе.

Как только начинает работать обгонка, то это означает, что движок не у дел.
Дифференциал в обратную сторону - это сумматор двух моментов.