Самодельный электросерф (DIY) | Анти инструкция
«Как это доска с мотором стоит 1 000 000 руб?
Я с батей в гараже сделаю за 100к»
Если после этой мысли Вы начали искать информацию в интернете и набрели на эту статью — открывайте пиво/опрокидывайте стопку/наливайте бокал белого, и поехали.
Из чего состоит электрический серф:
гребной винт / водомет
электродвигатель
силовой контроллер
батарея
корпус
1. Гребной винт / водомет
Принцип их работы совершенно разный: винт, как шуруп вкручивается в воду и тем самым толкает судно вперед, а водомет это по сути дела реактивный двигатель (создает струю, сила противодействия от которой приводит судно в движение).
Струя водомета (наверху), гребной винт (внизу)
В случае серфа использование гребного винта возможно, но эта конструкция будет выглядеть это крайне нелепо, поэтому остается только водомет.
Действительно нелепо
Вопрос покупки водомета приводит нас на алиэкспресс, где заботливый китайские инженеры выложили много образцов своих поделий.
«А какой из них выбрать, спросите вы», — допивая бутылку пива. Это очень хороший вопрос, ибо водомет это основной момент, и от него по цепочке будут завесить другие компоненты.
Так сложилось (на практике), что для толкания Вас сквозь пространство — достаточно водомета диметром около 90–120 мм. Если есть выбор по цене — то тут как с выбором вина — не надо брать самое дешевое, лучше что-нибудь по середине.
П-премиум
Оплатив заказ наградите себя открытием второй бутылки пива. И сегодня лучше уже ничего не покупать, а просто прочитать следующие абзацы и вернутся к вопросу уже завтра.
Для выхода на глиссирование (скольжение по поверхности воды, с минимальным сопротивлением) Вам будет достаточно 50 кг тяги.
«Чувак какие тяги? мы тут мне про туфли.» — резонно скажете вы, но усилие водомета измеряют на швартовом режиме, т.е. буквально упирают доску носом в весы и измеряют усилие. Для водомета диметром в 90 мм, необходимо около 6400 об/мин для создания такой тяги.
Лучше использовать механические весы (электронные жалко утопить)
Теперь нам нужно понять моментную характеристику купленного водомете (т.к. в 99% производитель ее не предоставит).
В простом случае: водомет диаметром 90 мм на скорости вращения 6400 об/мин будет требовать около 10Нм.
Если хочется углубится в тему: то открываем калькулятор по расчету водометов и методом подбора пробуем подобрать геометрические параметры купленного водомета. Как только параметры подобраны будет известен и график водомета.
Дальше точно без пол литра не разобраться — поэтому готовьте 3-ю бутылку.
Цена водомета: 20 000 руб — 70 000 руб.
2. Электродвигатель
Для вращения водомета со скоростью 6400 об/мин Вам необходим электродвигатель. Речь пойдет только о бесколлекторных двигателях постоянного тока (BLDC), т.к. другие в этой сфере не используют. У них есть такая характеристика как KV (оборот на вольт).
Изобретатель электро серфа позирует рядом с электродвигателем (шутка)
Т.е. если двигатель у нас имеет 200 KV, то при подаче на него 1 вольта напряжения — он будет вращается со скоростью 200 об/мин.
Для водного транспорта не стоит превышать 60 вольт (опасно для жизни и почти все европейские производители укладываются в эти рамки), поэтому мотор с характеристикой в 200 KV будет выдавать при 60 вольтах около 12 000 об/мин без нагрузки.
Под нагрузкой обороты точно будет меньше — в среднем просадка будет 15–30%.
Еще стоит учесть что разряженная батарея имеет напряжение сильно меньше (45 вольт), и надо исходить из худшего варианта:
200×45*0,7 = 6300 об/мин. Т.е. +/- в самом худшем варианте мотор выдаст нужные обороты в любом случае.
Есть еще такая характеристика как момент — и ее лучше запросить у производителя. В любом случае, стало понятно, что при использовании батареи 45–60 вольт нам хватит мотора в 200 KV.
Есть моторы и подводного исполнения
Хорошо, ну у мотора есть куда других характеристик, что дальше то?
Дальше необходимо выяснить диаметр электродвигателя и его тип (инраннер и аутраннер).
инраннер (наверху), аутраннер (внизу)
Инраннер — классический тип электродвигателя, вращается вал (ротор) внутри корпуса (статора).
Аутраннер — центральная часть (статор) стоит на месте и вращается внешняя часть (ротор). Такая конструкция сложнее, но и момент двигателя больше.
Для привода водомета предпочтительнее использовать аутраннер. Внешний диаметр электродвигателя должен быть на 20% больше диаметра водомета.
Т.е. у вас диаметр водомета в 90 мм, значит диаметр электродвигателя будет составлять 90×1,2= 108 мм.
Вот по этим двум данным (200 KV и диаметр 108 мм) и будем искать электродвигатель. Когда искомый вариант найден — обязательно надо запросить у производителя моментную характеристику (график).
Внимание на напряжение (48V) и график момента (в верхней части)
Далее надо будет наложить график водомета (или точку 10Нм) и график электродвигателя друг на друга.
Идеальный случай — 10 Нм при 6580 об/мин
В их точке пересечения электродвигатель будет работать в режиме стабильной температуры, все что дальше (выше по оборотам) — будет нагревать электродвигатель. Естественно это идеальный случай и по факту это точка будет ближе к началу координат.
Если по графику получается все гладко — можно заказывать мотор.
Далее нужно озаботится покупкой силового контроллера. Нехитрая математика (6400 об/мин при 10 Нм) дает нам 6700 Вт мощности.
Формула зависимости мощности от момента
Цена электродвигателя: от 40 000 руб.
3. Силовой контроллер (ECS)
Если вспомнить, что наша батарея имеет вольтаж 45–60 вольт то легко можно посчитать силу тока в самом плохом случае (когда батарея разряжена).
6700Вт/45в = 148,88 А именно столько контроллер должен держать в постоянном режиме.
Что бы не получить фейрверк из полевых транзисторов в момент первого запуска под нагрузкой, а так же соблюсти требования по охлаждению — контроллер нужно брать с запасом минимум в 1,3 раза. Т.е. для 148,88 А нужно взять контроллер с завяленным постоянным током в 200–220 А.
Небольшой прогар силовой дорожки
Мое лично мнение: контроллеры на базе VESC не держат заявленную нагрузку и не могут справится с обратными выбросами тока (нет защиты), поэтому лучше их не использовать, и искать промышленные контроллеры (естественно они будут дороже).
Так же к контроллеру нужно будет либо купить, либо изобрести пульт управления.
Цена контроллера: от 40 000 руб.
4. Батарея
Самый опасный элемент конструкции. Тут все зависит от бюджета и ваших пожеланий по емкости.
Главное что бы батарея держала максимальный ток (148,88 А), имела БМС (балансировку ячеек) и систему подключения (силовое реле). И сборку батареи точно лучше доверить профессионалам, ибо брак может стоить Вам жизни и имущества.
Аккумуляторы горят очень хорошо
Элементы Li-Ion 18650 (или 21700) имеют лучшие характеристики по соотношению емкости/массы, а так же они достаточно безопасны. В этом случае для получения напряжение 45–60 вольт понадобится сборка из 14 ячеек (последовательно).
Теперь надо рассчитать необходимую емкость: средний ток возьмем 100А и предположим, что запас хода будет равен 30 минутам (0,5 часа) — т.е. 100×0,5 = 50 Ач. Т.к. емкость батареи получается из параллельного соединения ячеек — общую емкость (50 Ач) надо разделить на емкость каждой ячейки (например 2,5 Ач) = 50/2.5 = 20.
Хорошо бы проверить, что элементы будут держать такую нагрузку и не перегревается, поэтому максимальный ток (148,88А) разделим на количество параллельно соединенных элементов (20) 148,88 / 20 = 7, 44 А на ячейку.
Под эти параметры подходит Samsung 30Q (15A ток разряда и емкость 3 Ач) — т.е. общая емкость батареи будет чуть больше 20×3 = 60 Ач.
Итого получаем конфигурацию: 14S20P — т.е. количество элементов будет равно 280 шт. (14×20).
Д — дорого
Цена батареи: от 100 000 руб (сборка будет стоить 140 000 руб только за ячейки без стоимости сварки, БМС и реле)
5. Корпус
Тут можно дать один совет — надо купить донор, который придется долго и упорно дорабатывать. В любом случае это будет сильно дешевле и проще чем строить самому с нуля.
Отличный донор (нет — водомет маленький и огромный вес корпуса)
Максимальное внимание стоит уделить модульности конструкции — т.к. малые объемы проще изолировать от воды.
Изолировать от воды, нужно все и максимально надежно, и везде где можно использовать компаунды типа Силагерм 2104 или Виксинт ПК-68. С ними достаточно удобно работать, как при заливке, так и при ремонте: после застывания компаунд имеет небольшую твердость и крошится при необходимости разборки конструкции.
Цена корпуса: от 50 000 руб.
Резюме: Минимум 250 000 руб. надо будет потратить только на основные комплектующие. С учетом всех мелочей, к моменту выхода на воду доска будет стоить 350 000 руб.
И это только начало пути под названием «тестовая эксплуатация»: батареи будут заливаться водой, моторы гореть, и деньги будут тратиться с такой эффективностью, что в лучше случае на 3-м собранном прототипе можно будет хоть как-то стабильно передвигается.
Собственно так и получается миллион рублей.
