Как правильно подобрать двигатель для квадрокоптера?

Доброго времени суток, дорогой читатель. Сегодня мы поговорим о том, что поднимет твой летательный аппарат на новые высоты… ну или хоть на какие-то. Речь пойдёт об электромоторах. Я расскажу тебе о том, как выбрать двигатель для квадрокоптера твоей мечты, и о многих других нюансах, связанных с этой темой. Поехали!

Коллекторные vs бесколлекторные

Первым, с чем ты столкнёшься при выборе будут эти два термина. Это две разных реализации двигателей. Главное отличие – расположение обмотки.

Спонтанный ликбез:
Статор – неподвижная (статичная) часть движка.
Ротор – вращающаяся (rotation) часть.

Коллекторные

Обладает щеточно-коллекторным узлом. Коллектор, это набор контактов (обмоток), расположенных на роторе, и щётка – скользящий контакт, расположенный на статоре. Как раз наличие этой щётки и убавляет ресурс коллекторного мотора, ибо создаёт трение. Двигатель начинает вращаться при подаче на него постоянного тока, а направление вращения зависит от полярности оного. Плавно разгоняются и замедляются.

Преимущества

• Маленький вес и размер
• Низкая стоимость
• Прост в ремонте

Недостатки

• Низкий КПД
• Низкая скорость вращения
• Перегрев
• Быстрый износ

Бесколлекторные (бесщёточного типа)

Состоит из ротора с постоянными магнитами и статора, с обмотками. Изменение направления вращения осуществляется изменением полярности (Нужно поменять два провода из трёх). Разгон и замедление происходят очень быстро (рывком). Имеют разное количество полюсов. Чем их больше, тем медленнее, но с большим усилием, вращается ротор.

Преимущества

• Высокая скорость вращения
• Износостойкость
• Защищённость от внешних воздействий

Недостатки

• Стоимость
• Сложный ремонт

Тут есть нюанс. Устройство двигателя бесколлекторного типа может отличаться.

• Inrunner – Стандарт. Ротор с постоянными магнитами вращается в статоре с обмотками.
• Outrunner – Нестандарт. Здесь ротором выступает корпус, который вращается вокруг статора с обмотками.

Характеристики двигателя

Мощность (потребляемая)

Измеряется в ваттах. Чем больше мощность, тем быстрее кончится батарея. Тут всё просто

Вес

Чем больше вес, тем мощнее и медленнее (обычно). Важно помнить, что вес самого движка нужно учитывать при расчёте веса, который он должен поднять.

Энергоэффективность (КПД)

Комплексное понятие, которое зависит ещё и от батареи, контроллера, пропеллера, и даже проводов. Тут подробно останавливаться не буду- чем выше, тем лучше. Двигатель с КПД 70% тратит 70% потреблённой энергии на полёт, а 30% на обогрев окружающей среды и приближение тепловой смерти вселенной. Для бесколлекторных нормой является 90%, а для коллекторных 70%.

Температура нагрева в работе

Как ты уже понял- напрямую зависит от КПД. Чем больше греется, тем больше тратит энергии впустую.

Балансировка и уровень вибрации

По сути, это качество исполнения. Есть такая вещь как допуск. Этот те пределы, в которых отклонение от идеала не считается проблемой. Чем выше точность изготовления, тем более соосной будет система, и тем меньше будет вибраций. Иногда лучше не брать самое дешёвое.

Вибрация в двигателе ускоряет его износ, износ прочих деталей, раскручивает винтики и шумит. Неприятное явление.

Тяга

Тяга, она же подъёмная сила. Это тот вес, который может поднять двигатель (включая самого себя). Но это не значит, что для двухкилограммового квадрокоптера нужно четыре двигателя. Нужен запас тяги, нужно учесть помехи, и банальную не идеальность моторов.

Формула будет примерно следующей.

Тяга одного мотора = (вес коптера * 2)/ кол-во движков
В итоге, для квадрокоптера весом 1 кг нужно 4 двигателя с тягой 500 грамм.

KV

Это достаточно сложный параметр – обороты на вольт без нагрузки. То есть если мы имеем моторчик в 1000 kv, то при подключении его к источнику тока с напряжением 12 вольт, он выдаст 12 000 оборотов в минуту (KV*U). Однако, это всё крайне теоретически.

На практике есть нагрузка, которую создаёт пропеллер, и создаваемое им сопротивление воздуха. Из этого следует, что обороты будут ниже, или их не будет вообще, так как от КВ зависит крутящий момент. Чем выше параметр КВ, тем меньшее усилие развивает электродвигатель.

Для понимания процесса (грубый пример).

Так как электродвигатель работает из-за перемены полярности электромагнитов с определённой частотой, то кв, по сути, характеризует частоту, с которой изменяется полярность магнитов, к которым притягивается постоянный магнит. для простоты примем, что постоянный магнит на роторе. Если всё идёт по плану, то ротор проходит путь от одного переменного магнита до другого, после полярность меняется, и он идёт дальше.

Если слишком часто менять полярность, или увеличивать нагрузку, то ротор просто не успеет разогнаться и преодолеть нужный путь, и его начнёт притягивать обратно, или же он вообще не сдвинется с места. Это похоже на пробуксовку колеса авто на льду. Чем выше скорость вращения и вес авто, тем больше оно будет проскальзывать, и меньшее усилие развивать.

В итоге, никто не знает сколько нужно, ибо параметр не поддаётся простому определению. Можно просто ориентироваться на следующие цифры. Лёгкий гоночный коптер с маленькими пропеллерами имеет KV 2100—2500, а для тяжёлых, многокилограммовых аппаратов нужно брать что-то в районе 200-900 KV.

Как правильно выбрать

Есть несколько основных параметров, исходя из которых придётся выбирать. О них ниже. Прежде всего, советую перейти на сайт калькулятора Ecalc, и ознакомиться с калькулятором. Он позволит как подобрать примерную комплектацию коптера, так и рассчитать полётных характеристики уже готовой сборки. Расчёт моторов стоит начать именно с него.

Общий вес и необходимая тяга

Это пункт планировки, и возможно важнейшие характеристики. Нужно чётко понимать – сколько будет весить квадрокоптер. В общий вес идёт всё, включая пропеллеры, провода и полезную нагрузку. Исходя из формулы расчёта тяги, для достижения хороших полётных характеристик, двигатели твоего коптера должны поднимать его вес, помноженный на два.

Размер рамы и пропеллера

От размера и конфигурации рамы зависит то, сколько двигателей тебе придётся поставить, и на сколько большую диагональ пропеллеров ты сможешь использовать. Сейчас не буду вдаваться в подробности конфигурации, и рассказывать о том, как правильно подобрать раму. Просто напомню, что это ответственный узел, и на нём будет держаться всё, в том числе и тяжёлые, вибрирующие двигатели.

Запомни три простых правила.

1. Тут важно не промахнуться с размером. Пропеллеры не должны наслаиваться. Проблемы доставляет и путаница с размерами. Добро пожаловать в мир дюймов
2. Жёсткость рамы и её вес очень важны. Если есть возможность, то бери с запасом по прочности. Очень хорошо тебя показывают композитные материалы (карбоновая рама – предел мечтаний)
3. Резьбы в пластике или вообще не могут считаться за резьбы, или являются одноразовыми. Ищи или металлические вставки, или думай, как ещё зафиксировать болты

От размера лопастей зависит поведение дрона в воздухе. Большая диагональ даст большую подъёмную силу и устойчивость, в ущерб маневренности, и наоборот. Здесь надо отталкиваться от своей цели. Так же нужно учитывать то, что пропеллер создаёт нагрузку на двигатель. Обычно рекомендованный размер будет указан в спецификации.

Питание

Рекомендуемый аккумулятор тоже можно подсмотреть в спецификации. Обычная банка имеет номинальное напряжение 3.7в. При последовательном соединении суммируется напряжение, а при параллельном – ёмкость (она же время полёта). Это значит, что если ты видишь рекомендованный аккумулятор 2-3S Li-po (7,4-11,1V), то тебе потребуется два, или три последовательно соединённых литий-полимерных аккумулятора и соответствующая плата питания. В этом диапазоне всё будет работать (конечно, чем меньше- тем слабее). Параллельно можно суммировать только одинаковые блоки, но зато сколько душе угодно.

Маркировка двигателей для квадрокоптеров

На самом деле стандарта нет. Каждый лепит на свою продукцию что захочет. К счастью, есть общепринятые нормы, которые соблюдает большинство.

Первая буква отражает качество изготовления.

• «V» серия специально для ответственных мультикоптеров, изготовлена из лучших материалов при высочайшей точности сборки. Обычно, это гоночные электродвигатели, которые вращаются намного быстрее обычных
• «X» серия для моделей самолётов и мультикоптеров – середнячков. Хороший КПД, качество и сборка по терпимой цене
• «A» серия – Бюджетное решение, которое будет чуть хуже, чем предыдущие, но всё так же будет хорошо работать. Не стоит её пугаться

Первые четыре цифры, это параметры магнитопровода. Первые две –диаметр, вторые две –толщина набора. Они, на самом деле тебе не очень нужны. Не заморачивайся. Их тебе нужно знать в основном для того, чтобы понимать следующий параметр.

Спонтанный ликбез: Магнитопровод, это та часть двигателя или трансформатора, на которую намотана обмотка. Он набирается из пластин.

Количество витков

От количества витков зависит толщина провода, при равных параметрах магнитопровода. На один и тот же магнитопровод можно намотать 13 или 15 витков (к примеру). Чем больше витков, тем меньше диаметр сечения провода и выше внутреннее сопротивление. Отсюда, при равном питающем напряжении, при большем количестве витков, ток и обороты будут ниже. Это подтверждается параметром KV. Для бесщёточного двигателя с 15 витками оно будет ниже, чем у того же мотора, но с 13 витками.

Последняя буква – вид трёхфазного подключения – звезда или треугольник (Y/* или T/Δ соответственно). Снова не буду грузить электроникой, да и в случае с квадрокоптерами подключение не так важно.

• Мотор подключенный через звезду будет более мягко и плавно разгоняться, но не сможет развить максимальную заявленную мощность
• Подключение через треугольник даст более резкий набор скорости и полную заявленную мощность, но потребует намного больший пусковой ток

Возьмём для разбора такую маркировку A2212/15T.

22 – магнитопровод диаметром 22мм
12 — толщина набора 12мм
15 – 15 витков
А – Ширпотреб для бюджетных аппаратов
Т – (иногда заменяют на Δ) намотка типа дельта (треугольником)

Особенности моторов

CW и CCW

Это направления вращения, на которые рассчитан мотор. CW – по часовой стрелке, CCW – против. На самом деле направление вращения всегда можно изменить без потерь. Этот параметр скорее относится к креплению. При вращении в неправильную сторону мотор может разбалтываться, из-за особенностей крепления, или, если пропеллер фиксируется на резьбовом соединении, он будет откручиваться.

Тип магнитов

Мощность двигателей, и их кпд во многом зависят от силы постоянных магнитов ротора. Можно брать исключительно неодимовые магниты. Это, в основном, касается покупок из Китая, где могут подсунуть с виду работающий, но слабенький агрегат.

Кстати, важно, что неодим является крайне хрупким материалом, который плохо переживает удары. Ронять его не стоит, ибо могут появиться микротрещины, которые приведут к потере мощности.

Полый вал

Особым понтом считается полый вал двигателя. Если есть возможность, то стоит брать именно такой. Он совершенно не уступает по прочности цельному валу, так как центральная часть не нагружено, но немного экономит вес.

Шплинты и пружинные стопорные шайбы E clips, C clips

Из-за вибраций, создаваемых моторами и пропеллерами, винтики могут откручиваться или ослабевать. Это серьёзная проблема, ибо конструкция всегда должна быть жёсткой. Решается проблема использованием шплинтов или стопорных шайб.

Шплинт – вариант не самый лучший. Только для того, чтобы что-нибудь не отвалилось. Винтики им укрепить не получится.

Пружинная шайба – По сути, это небольшая пружинка, которая распирает болт в резьбе, тем самым делает его выкручивание проблематичным. Это отличный вариант для крепления любых узлов к раме, однако использовать его имеет смысл только если под шайбой имеется твёрдая поверхность (мягкий пластик не в счёт)

Итог

Дроны беспилотники, это достаточно сложный и точный механизм, который требует тщательного подхода к выбору комплектующих. Надеюсь, после прочтения этой статьи тебе стало понятно чуть больше о движущей силе твоего летательного аппарата.

И как всегда, банальное, но очень важное напутствие – думай, прежде чем делать. Даже куча потраченных денег на самое лучшее оборудование не гарантирует то, что оно будет работать хорошо. Отталкивайся от того, что нужно именно тебе. Читай, узнавай, анализируй.

Если остались вопросы — задавай в комментариях на сайте. Мы постараемся на них ответить. И самое главное, без чего твой коптер точно не полетит. Подписывайся на наши группы в социалках, и делись записями с друзьями (кнопки для этого ты найдёшь внизу). Удачи, пилот, до новых встреч!

(12 оценок, среднее: 3,92 из 5)

Загрузка...