Квадрокоптеры: критерии выбора двигателя

Проектирование и сборка собственного беспилотника начинается с изучения конструкции и подбора составных частей. Автору полезно знать, какие двигатели в квадрокоптерах подойдут будущему агрегату.

Проектировщик знакомится с технической спецификацией изделия. Характеристики, которые указывает производитель, сравнивают со свойствами, которые имеет квадрокоптер.

Двигатель для дронов: сравнение двух вариантов

Квадрокоптер обычно оснащают бесколлекторными или коллекторными моторами.

1. Первые — бесщеточные электромоторы, в которых обмотка расположена на статоре (неподвижной части). БДПТ содержат инвертор, который переключает ток в обмотках статора. Отсутствие коллектора увеличивает износоустойчивость и безопасность конструкции. Эффективность и надежность обусловливают широкую область применения.
2. Вторые работают за счет центрального контроллера, который переключает ток на обмотках и управляет перемещением ротора. Щетки соединяются с коллектором и при вращении генерируют магнитное поле в обмотках. Провода располагаются на движущейся части.

Коллекторный двигатель: особенности, область применения, комплектация

Этот тип моторов чаще всего устанавливают на слабые дроны базового уровня и на игрушки. Они не способны развивать значительную мощность, не могут производить достаточное количество оборотов, имеют малую подъемную силу.

Большое количество соприкасающихся элементов приводит к частым поломкам. Громоздкие габариты создают многие неудобства. Поэтому их используют все реже и реже, отдавая предпочтение более удобным, эффективным и надежным бесколлекторным аналогам.

Конструкция, устройство

Компоненты:

1. Корпус.
2. Магниты: "плюс", "минус".
3. Ротор с обмоткой.
4. Щетки.

Внутри неподвижного корпуса находятся магниты. Щетки подают ток на обмотку, заставляя ротор вращаться.

Бесколлекторный двигатель: описание, компоненты, применение

Сейчас БДПТ — квадрокоптер обыкновенно летает на этих моторах.

Основные комплектующие:

1. Статор — так называют три фазы длинных проводов вокруг сердечника. Обмотка покрыта защитным слоем эмали или лака. Покрытие предотвращает короткое замыкание, которое может произойти при сильном нагревании.
2. Магниты из неодима образуют постоянное электромагнитное поле. Приклеены к колоколу эпоксидной смолой или цианакрилатом.
3. Корпус — обычно из легких металлов наподобие алюминия. Предохраняет внутренние части от внешних воздействий. По форме некоторые изделия похожи на вентиляторы. На таких моделях лопасти разгоняют воздух, охлаждая детали.
4. Вал — элемент прикреплен к верхней части. Через него крутящий момент передается винтам. Квадрокоптер начинает полет.

Бесколлекторный двигатель: устройство, принцип работы, плюсы

Постоянный ток подается на три фазы обмотки. Таким образом между магнитами и катушкой образуется электрическое поле. Оно заставляет вращаться верхнюю часть мотора. Крутящий момент передается винтам, образуется подъемная движущая сила, и квадрокоптер держится в воздухе.

Процессом управляют электронные регуляторы (ESC). Они задействуют попеременно все три фазы, то подавая, то прекращая подачу тока. Частота сокращений составляет тысячные доли секунды.

Бесколлекторный мотор устанавливают на гоночный, профессиональный квадрокоптер, на дроны для фото-видеосъемок и даже на бюджетные модели ценой до 100 долларов.

Шесть плюсов использования

Преимущества БДПТ:

1. Огромные мощности.
2. Значительные обороты.
3. Сильная подъемная тяга.
4. Компактные размеры.
5. Небольшой вес.
6. Долговечность.

Кроме двух подшипников, поворачивающих колокол и вал, здесь нет подвижных, трущихся частей. Минимум трения обеспечивает долгий срок службы.

Критерии выбора

Характеристики мотора определяются параметрами, которыми обладает квадрокоптер.

Уточняют следующие данные:

1. Габариты летательного аппарата.
2. Размеры, форму, вес рамы.
3. Толщину/шаг пропеллеров.
4. Тип аккумуляторов.

В зависимости от перечисленных значений выясняют, какого размера и мощностей подойдет движок.

Назначение и конструкция

Цель, для которой создается квадрокоптер, определяет габариты составных частей.

Например:

В карточке изделия указываются подходящие виды пропеллеров. Производитель уточняет, каким квадрокоптерам подходит данная модель.

Выбор пропеллеров

Пропеллеры подбирают под раму.

Винты маркируются таким образом: 5045: 5 (дюймов) — размер; 4,5 — шаг.

Допустимые форматы приводятся в техническом паспорте обоих изделий.

Двигатель и параметры дрона

Класс мотора в первую очередь определяется размером статора.

Это основная величина, от которой исходят прочие параметры.

Выбор модели по габаритам рамы и винтов

Двигатель: образец маркировки

1. KV — количество оборотов в минуту относительно напряжения.
2. 2204 — размер статора.
3. А 2313/16Т: А — класс модели 23 (мм) — диаметр магнитопровода; 13 (мм) — толщина корпуса; 16 Т—число витков треугольной намотки.

Чем их меньше, тем больше KV и тем ниже крутящий момент.

Влияние массы

Легковесные модели раскручиваются легче. Они более чувствительны, поддаются тонкой настройке, обеспечивают мягкость полета.

Чего нельзя сказать про модели большего веса. При падении последние не сильно пострадают. Поэтому новичкам лучше подойдут тяжеловесные изделия.

Но следует также учитывать целевое назначение аппарата: фристайл-квадрокоптер нуждается в легковесных, гоночный — в массивных моторах. Принимают во внимание баланс между весом и мощностью.

Коэффициент полезного действия

Величина измеряется в граммах по отношению к ваттам.

От этого показателя зависят:

• длительность полета;
• срок жизни аккумулятора;
• стабильность напряжения.

Идеально, если все три параметра дают равный КПД как на малых, так и на высоких оборотах.

Выбор аккумулятора

Отдача аккумулятора обозначается буквой С. Надо, чтобы зарядник давал большие токи. От этого зависит эффективность мотора.

Чем больше ток, тем выше КПД. Отдача в 90 С обеспечит потребности самых мощных моторов. Такой аккумулятор можно использовать в квадрокоптерах для гонок и фристайла.

Расчет КПД по формуле

Моторы, обладающие высоким KV, дают наибольший эффект при максимальных оборотах.

Формула расчета КПД: η = P/√3UIcosφ

где:

• P — мощность (номинал);
• U — напряжение, требуемое для подключения электромотора;
• I — ток (номинал);
• cosφ — коэффициент мощности (0,75–0,9)).

Данные приводятся в паспорте изделия. Последнее значение показывает отношение активной мощности к полной. Зависит от общих характеристик модели.

Оптимальная мощность

Мощность здесь обозначает способность мотора поднимать тот или иной вес, то есть подъемную тягу.

В паспорте изделия показывают максимальное значение.

Однако, этот показатель нельзя рассматривать отдельно.

Важнее рассчитать, как соотносится подъемная сила и масса в кг, которой обладает квадрокоптер.

Расчет подъемной силы по отношению к весу

Для этого применяют следующую формулу:

тяга 1 движка = весу дрона * 2/ число электромоторов.

При этом учитывают назначение машины:

1. Гоночный квадрокоптер: соотношение может быть увеличено.
2. Для выполнения "акробатических трюков" возможны такие пропорции, как 5 : 1.
3. Для плавной аэрофотосъемки достаточная относительность — 3–4 к 1.

Излишне большое значение затруднит управление, что особенно нежелательно для начинающих пилотов. При отсутствии навыков стоит слегка задеть стик, и квадрокоптер выстрелит, как ракета.

При малой величине аппарату сложно взлетать, дрон будет плохо выполнять команды. Чтобы легко вывести квадрокоптер из ступора, надо чтобы полученный минимум был вдвое больше тяги.

KV: влияние количества оборотов на полет

Характеристика показывает, сколько оборотов совершает двигатель в минуту. Величина показывает, как число увеличивается, когда напряжение поднимается на 1 вольт. В паспорте указывают примерное значение без учета пропеллеров. Когда поставят винты, показатель снизится.

Дополнительные факторы:

1. Величина зависит также от числа витков статора. Их увеличение уменьшает KV мотора, и наоборот. Влияние оказывает также сила магнитов. Чем она больше, тем больше KV.
2. Мотор с высоким количеством оборотов сможет раскрутить большой пропеллер так же быстро, как маленький, но потребует для этого больше энергии, что заставит выделить больше тепла. Интенсивность приведет мотор к перегреву и короткому замыканию.
3. Низкий KV нуждается в меньшем токе даже при вращении тяжелых винтов. Крутящий момент здесь больше.
4. Моторы с большим количеством оборотов потребляют высокие токи, но работают более эффективно на максимуме KV.

Обратной величиной KV является постоянная крутящего момента. Между этими показателями имеется связь: последняя величина тем меньше, чем больше количество оборотов. Но при этом необходимо учитывать расход электроэнергии.

Мотор с большим КМ быстрее реагирует на команды. С ним можно использовать более тяжелые винты. Но для этого придется увеличить потребление тока.

Крутящий момент: значение и влияние

Крутящий момент — это сила, которая вращает винты. От нее зависит скорость смены оборотов, легкость и простота, с которой мотор поворачивает роторы, пропеллеры и воздушные массы.

Эта же сила влияет на точность и отзывчивость управления.

Высокий КМ создает излишние вибрации и колебания.

Двигатель и КМ

Традиционно считается, что большой мотор дает большой крутящий момент.

Однако сейчас даже маленькие модели обеспечивают значительный КМ. Это стало возможным благодаря последним научным достижениям, оптимизации технологий, использованию новых материалов.

В основном крутящий момент определяют:

• размеры статора;
• вид магнитов, качество обмотки;
• конструкция мотора.

Чем статор больше, тем выше КМ. Имеет значение дистанция между ротором и статором, число полюсов и т. д.

Если эти значения одинаковые, два мотора с разным KV дадут одинаковый крутящий момент.

При небольшой величине KV понадобится более высокое напряжение,чтобы получить такие же результаты.

Регуляторы хода и мощность

Принимают во внимание мощность ESC — электронных регуляторов хода.

Примерный ход рассуждений: мотор нуждается в 24 амперах, мозговому центру необходимо самое малое 25–30 А. Тогда не будет перегрева. На рынке имеется богатый выбор устройств управления, поэтому всегда можно найти модель с запасом.

Подходящий аккумулятор

В технических спецификациях двигателя дают рекомендации по поиску подходящего аккумулятора.

Номинал обычного поставщика питания составляет 3,7 в.

Если производитель рекомендует поставить источник энергии таких параметров, как 2-3S Li-po (7,4-11, IV), это значит, что надо приобрести два-три последовательно соединенных литий-полимерных банки и снабдить их соответствующей платой.

Бесколлекторный или коллекторный

Если планируется, что двигатель будет использоваться недолго, целесообразно устанавливать щеточный электромотор постоянного тока. Такой подход обеспечит достаточную производительность и экономическую эффективность.

Но для длительных полетов лучше применять бесколлекторный двигатель. Постоянная непрерывная работа на высоких мощностях — повод остановиться на этом варианте.