Моторы для квадрокоптера. Маркировка двигателей для квадрокоптеров

В этой статье мы подробно расскажем о том, как правильно подобрать двигатель для квадрокоптера. Когда вы покупаете готовый квадрокоптер, вопрос двигателя остается практически последним в списке всевозможных характеристик, на которые стоит обратить внимание. А зря! Ведь двигатель – основа всех основ в квадрокоптере, без него невозможен ни запуск, ни, тем более, сам полёт.

Итак, покупая полностью готовый к использованию квадрокоптер, вы не придаёте значения его двигателю, но что если вы собираете беспилотный аппарат самостоятельно? Мы поможем вам сделать выбор «сердца» для вашего дрона.

Итак, первое, с чем стоит определиться, — это то, на чем ваш квадрокоптер будет летать: на электричестве или бензине. 99% современных моделей квадрокоптеров, продаваемых в России, в качестве источника питания используют литий-полимерные аккумуляторы. А вот оставшийся 1% имеет в своей конструкции двигатель внутреннего сгорания – абсолютно такой же, как в автомобилях, только в сотни раз меньше.

Но сегодня мы поговорим о двигателях, работающих на электричестве. В ходе различных разработок и модификаций производители представили миру три наиболее оптимальных типа:

• Коллекторный
• Коллекторный с редуктором
• Бесколлекторный

То, какой из них вы выберете, будет зависеть исключительно от характеристик будущего дрона.

Так, если вы предполагаете построить своими руками квадрокоптер-мини с простым управлением (что-то вроде ), то смело покупайте коллекторный двигатель. Его использование именно на миниатюрных дронах обуславливает его достаточно малый вес, который практически не утяжелит конструкцию. Отсутствие дополнительных утяжелителей очень важно для дронов, так как меньшая масса обеспечивает меньший расход энергии аккумулятора. К тому же он очень дешевый.

К сожалению, у таких двигателей есть и свои минусы: во-первых, они обеспечивают создание крайне малой воздушной тяги, поэтому высоко на таком движке дрон не улетит. А во-вторых, что более важно, он быстро и сильно греется, а, как известно, высокие температуры для всей системы двигателя губительны. Таким образом, будьте готовы к ремонту в любой момент.

Коллекторный двигатель с редуктором так же имеет низкую стоимость и небольшой вес, но способен приводить в действие модели посерьезнее – среди именитых дронов такой вид движка стоит на Parrot ar drone 2.0. Но в отличие от движка без редуктора этот вид сможет обеспечить достаточную тягу, чтобы квадрокоптер поднимался на десятки метров в высоту.

Но он так же греется, а значит, будет требовать частого ремонта и замены либо части деталей, либо всей системы в целом. Особенно часто вам придется сталкиваться с ремонтом шестерней, так как именно в этом моторе они быстро изнашиваются.

Покупка бесколлекторного мотора обойдется вам гораздо дороже, нежели покупка предыдущих видов. В массовом производстве бесколлекторный мотор можно встретить на моделях, чья цена начинается от 20 тысяч. Высокая цена в случае с этим двигателем означает и высокие показатели качества. Во-первых, он износостойкий – при условии дороговизны его запчастей отсутствие необходимости частого ремонта — явный плюс. Во-вторых, он обеспечивает большую тягу для подъема квадрокоптера.

Но есть у него и минусы – большой вес, который смогут поднять коптеры по размерам не менее средних.

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!

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, 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

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.

Наши квадрокоптеры летают на бесколлеторных моторах постоянного тока, это специальные типы двигателей, у которых нет основных компонентов с повышенным износом.

Все бесколлекторные (безщеточные) двигатели состоят из 4 компонентов :

Статор . Статор это обмотка двигателя, состоящая из 3 фаз длинных тонких проводков, которые обматываются вокруг сердечника. Провода покрыты эмалью, чтобы предотвратить короткое замыкание при обмотке и работе. Если вы хорошо учили физику, то знаете, что ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле. Когда провод обмотан вокруг чего-то, то магнитное поле увеличивается. Чем больше ток, тем больше сила магнитного поля и больше крутящий момент от вашего двигателя. Однако, большие токи сильно нагревают обмотку, особенно вот такие тонкие провода и защитная эмаль может оплавиться при сильном нагреве, тогда произойдет короткое замыкание и двигатель станет нерабочим.

Неодимовые магниты . Эти магниты из редкоземельных металлов генерируют фиксированное магнитное поле, они маленькие, но создают очень сильное магнитное поле. Они приклеены эпоксидной смолой или цианокрилатом к корпусу мотора.

Корпус двигателя защищает магниты и обмотку. Обычно он изготовлен из легкого металла, такого как алюминий. Более продвинутые двигатели имеют корпусы, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее.

Вал мотора жестко прикреплен к верхней части. Это рабочий компонент мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.

Итак, как работает бесколлекторный мотор?

Слишком далеко заходить и углубляться не буду, просто основы — магниты и обмотка создают движущую силу благодаря взаимодействию и созданию магнитного поля между ними. Это происходит благодаря подаче постоянного тока на определенную обмотку (у нас 3 фазы, т.е. 3 отдельных провода на обмотке), ток подается и прекращает подаваться на определенные обмотки в короткий промежуток времени, тысячные доли секунды, заставляя крутиться верхнюю часть с магнитами. Этим процессом полностью управляет ESC-регуляторы, это мозг моторов, он решает, когда подавать ток, а когда нет и с какой частотой.

Как выбрать двигатель для квадрокоптера

Итак, теперь вы знаете основы работы и из чего он состоит, теперь узнаем, как выбрать мотор для дрона.

Размер двигателя

Первое, что вы должны выбрать, это размер двигателя, который вы будете использовать. К счастью, большинство производителей в нашем хобби установили стандартную схему именования своих двигателей. Обычно это 4-значное число, которое выглядит примерно как «2205». Первые две цифры этого числа — это диаметр (в мм) статора, а второй — это высота (также в мм). В общем, чем больше из этих чисел, тем больше мощности двигатель может обрабатывать и чем больше крутящего момента он будет генерировать. Однако нюанс заключается в том, что большие цифры означают более тяжелый двигатель — в основном благодаря тому, что он просто «больше».

Вот общие размеры двигателей для квадрокоптеров :

• 1806 – используются в минидронах, на них ставятся 3-х или 4-х дюймовые пропеллеры.
• 2204 – Одни из самых популярных двигателей в течение долгого времени. На них ставят 5-и дюймовые пропеллеры. 2204 начали терять популярность в 2015 году и сейчас почти не используются.
• 2205 – самые популярные моторы, на них можно ставить 5-и дюймовые трехлопастные пропеллеры.
• 2206 – набирающая популярность модель двигателей, имеет немного большие габариты за счет увеличения мощности на 15% в сравнении с 2205.
• 2207 / 2407 – Еще более мощные двигатели, гонка мощностей я бы сказал. По характеристикам, они могут выдавать тягу на 50% больше, чем 2205. Используются редко и еще не популярны.

RPM константа (kV)

Все моторые имеют рейтинг Kv. Этот рейтинг показывает то, насколько быстро будут крутиться ваши пропеллеры. Максимальное количество оборотов в минуту, которое сможет выдать ваш мотор, можно узнать, если умножить kV на напряжение аккумулятора. Так, если у вас двигатель 2300kV и батарея lipo 4s, то будет такая формула, так как у 4s lipo напряжение 14.8 вольт:

14.8 * 2300 = 34040RPM

Но не стоит брать эту цифру как фактическое значение, которое будет развивать мотор, лучше использовать эту цифру как справочное число для ориентира — на что будет способен квадрокоптер на этих двигателях. Общая информация, какие пропеллеры нужно ставить на двигатели 2204 и 2205:

• 4-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2600kV или с большим kV.
• 5-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2300-2600kV моторы.
• 6-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2300kV или с более меньшим kV.

Обратите внимание, что это не жесткие правила, а лишь рекомендации, но если вы будете придерживаться их, то ваш дрон будет летать с наилучшими характеристиками.

Вес
Единственное, что нужно помнить про вес, это то, что каждый сэкономленный грамм нужно умножать на 4 (или больше, смотря какой дрон будете собирать). Тяжелые моторы обычно довольно мощные и компенсируют свой вес тягой.

Цена
Цена одно из важных значений, чем выше цена, тем качественнее компоненты и сборка, а значит и результаты по скоростям и маневренности. В среднем цены от 600 до 2 000 рублей.

Вал
Вал должен быть достаточно длинным, но не менее 13 мм в длину и 5мм в диаметре. 5мм это самый распростроненный диаметр у пропеллеров, в противном случае вам придется рассверливать или покупать новые проппы, так как они или не налезут или будут маленькие. А насчет длины — нужно не забывать, что пропеллеры закрепляются контргайками, а она должна полностью пройти вал по резьбе.

Какие есть марки двигателей с сортировкой по популярности:

EMax

EMax RS2205S — Ссылка (4 мотора за 4500 рублей)

Racerstar

BR2306S Ссылка (4 мотора за 2 000 рублей)

Несмотря на то что квадрокоптеры крайне модная тема, выбирать компоненты для сборки своего аппарата по-прежнему не так просто. Выбор деталей для конкретного проекта - это мучительный поиск оптимального сочетания веса, мощности и функ-циональности. Поэтому прежде, чем окунуться в мир бесчисленных интернет-магазинов и безымянных китайских производителей, давай проделаем подготовительную работу.

Что такое квадрокоптер и для чего это надо

Мультироторы, они же мультикоптеры или просто коптеры, - это беспилотные летательные аппараты, предназначенные для развлечения, съемки фото и видео с воздуха или отработки автоматизированных систем.

Коптеры обычно различают по числу используемых моторов - начиная от бикоптера с двумя моторами (как GunShip из фильма «Аватар») и заканчивая октакоптером с восемью. На самом деле число моторов ограничено только твоей фантазией, бюджетом и возможностями полетного контроллера. Классическим вариантом является квадрокоптер с четырьмя моторами, расположенными на перекрещивающихся лучах. Такую конфигурацию еще в 1920 году попытался соорудить француз Этьен Омишен (Étienne Oehmichen), и в 1922 году у него это даже получилось. По сути, это самый простой и дешевый вариант сделать летательный аппарат, способный без особых проблем поднимать в воздух небольшие камеры вроде GoPro. Но если ты собираешься взлетать с серьезной фото- и видеотехникой, то стоит выбирать коптер с большим числом моторов - это не только увеличит грузоподъемность, но и добавит надежности, если в полете выйдет из строя один или несколько моторов.

Теория полета

В теории полета (аэродинамике) принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Проще говоря, летательный аппарат куда-то «смотрит» и куда-то двигается. Причем двигаться он может не туда, куда «смотрит». Даже самолеты в полете имеют какую-то составляющую «сноса», которая уводит их от курсового направления. А вертолеты вообще могут летать боком.

Три эти угла принято называть крен, тангаж и рыскание. Крен - это поворот аппарата вокруг его продольной оси (оси, которая проходит от носа до хвоста). Тангаж - это поворот вокруг его поперечной оси (клюет носом, задирает хвост). Рыскание - поворот вокруг вертикальной оси, больше всего похожий на поворот в «наземном» понимании.

Основные маневры (слева направо): движение по прямой, крен/тангаж и рыскание

В классической схеме вертолета основной винт при помощи автомата перекоса лопастей управляет креном и тангажем. Так как основной винт обладает ненулевым сопротивлением воздуха, у вертолета возникает вращающий момент, направленный в сторону, противоположную вращению винта, и, чтобы его скомпенсировать, у вертолета есть хвостовой винт. Изменяя производительность хвостового винта (оборотами или шагом), классический вертолет управляет своим рысканием. В нашем же случае все сложнее. У нас есть четыре винта, два из них вращаются по часовой стрелке, два - против часовой. В большинстве конфигураций используются винты с неизменяемым шагом и управлять можно только их оборотами. Если они все будут вращаться с одинаковой скоростью, то они скомпенсируют друг друга: рыскание, крен и тангаж будут нулевыми.

Если мы увеличим обороты одного винта, вращающегося по часовой стрелке, и уменьшим обороты другого винта, вращающегося по часовой стрелке, то мы сохраним общий момент вращения и рыскание по-прежнему будет нулевым, но крен или тангаж (в зависимости от того, где мы сделаем ему «нос») изменятся. А если мы увеличим обороты на обоих винтах, вращающихся по часовой стрелке, а на винтах, вращающихся против часовой стрелки, уменьшим (чтобы сохранить общую подъемную силу), то возникнет вращающий момент, который изменит угол рыскания. Понятное дело, что все это будем делать не мы сами, а бортовой компьютер, который будет принимать сигнал с ручек управления, добавлять поправки с акселерометра и гироскопа и крутить винтами, как ему надо. Для того чтобы спроектировать коптер, необходимо найти баланс между весом, временем полета, мощностью двигателей и другими характеристиками. Все это зависит от конкретных задач. Все хотят, чтобы коптер летал выше, быстрее и дольше, но в среднем время полета составляет от 10 до 20 минут в зависимости от емкости аккумулятора и общего полетного веса. Стоит запомнить, что все характеристики связаны между собой и, к примеру, увеличение емкости аккумулятора приведет к увеличению веса и, как следствие, к уменьшению времени полета. Чтобы узнать, сколько примерно твоя конструкция будет висеть в воздухе и сможет ли вообще оторваться от земли, существует хороший онлайн-калькулятор ecalc.ch . Но прежде чем вбивать в него данные, нужно сформулировать требования к будущему аппарату. Будешь ли ты устанавливать на аппарат камеру или другую технику? Насколько быстрым должен быть аппарат? Как далеко тебе нужно летать? Давай посмотрим на характеристики различных компонентов.

PX4 - бортовой компьютер с полноценной UNIX-системой

Рама

Основной момент, который нужно решить при выборе рамы, - будешь ли ты использовать готовую раму или же делать ее сам. С готовой рамой все проще, да и заказывать в любом случае придется множество деталей. При этом, учитывая цены в китайских магазинах, самодельный вариант может оказаться дороже. С другой стороны, собственную раму в случае аварии будет проще починить. Ну и, естественно, своими руками можно сделать любую, даже самую сумасшедшую конструкцию. Рассмотрим поподробнее самосборный вариант.

Сделать раму можно из любых подручных материалов (дерево, алюминий, пластик и так далее). Можно подойти чуть серьезнее и выпилить ее на ЧПУ-станке из плетеного карбона, причем можно усложнить задачу и сделать складную конструкцию.

Самый простой вариант для любителей DIY - пойти в OBI, «Леруа Мерлен» или на строительный рынок и купить квадратную алюминиевую трубу 12 × 12, а также алюминиевый лист толщиной в 1,5 мм. Для того чтобы сделать раму из таких материалов типа «четыре палки и крепеж», достаточно дрели или ножовки по металлу. Но нужно быть готовым к тому, что такая конструкция прослужит недолго. Все-таки все эти профили делают из очень мягкого материала (АД31/АД33), при полетах он будет легко гнуться.

Oehmichen № 2, пилотируемый квадрокоптер французского инженере Этьена Омишена, запущенный в 1922 году

В качестве образца для твоей рамы можно взять упрощенную заводскую раму или же найти в интернете готовый чертеж. Более сложные материалы (например, углепластик) можно заменить на алюминий - если и получится тяжелее, то ненамного. В любом случае стоит обращать внимание на длину и симметричность лучей. Длина лучей выбирается исходя из диаметра используемых пропеллеров, так, чтобы после их установки расстояние между окружностями вращающихся винтов было не менее 1–2 см, и уж тем более эти окружности не должны пересекаться. Моторы, устанавливаемые на лучах, должны быть равноудалены от центра рамы, где будет располагаться «мозг», и (в большинстве случаев) находиться на одном расстоянии друг от друга, образуя равносторонний многоугольник.

При проектировании стоит учесть, что центр рамы должен совпадать с центром тяжести, поэтому установить аккумулятор сзади между лучами - плохая идея, если он не будет скомпенсирован грузом спереди, например камерой. Продумай, на что будет приземляться твой аппарат, для новичков можно посоветовать приспособить что-то мягкое на «пузе» или концах лучей, например плотный поролон или теннисные мячики. А также защити аккумулятор на случай неудачного приземления, например установи его между пластинами рамы или расположи под высокими посадочными лыжами.

info

Полет от первого лица (FPV) очень захватывает, особенно если пользоваться видео-очками и HeadTracker’ом, который будет повторять движения головы на подвесе FPV-камеры, создавая ощущение, что находишься в кабине пилота.

Моторы и пропеллеры

Из-за вращения моторов в разные стороны приходится использовать разнонаправленные пропеллеры: прямого вращения (против часовой) и обратного вращения (по часовой). Обычно используются двухлопастные пропеллеры, их легче балансировать и найти магазинах, в то время как трехлопастные дадут больше тяги при меньшем диаметре винта, но доставят много головной боли при балансировке. Плохой (дешевый и неотбалансированный) пропеллер может развалиться в полете или вызвать сильные вибрации, которые передадутся на датчики полетного контроллера. Это приведет к серьезным проблемам со стабилизацией и вызовет сильное смазывание и «желе» на видео, если ты снимаешь что-то с коптера или летаешь с видом от первого лица.

Регулятор скорости,
он же ESC

У любого пропеллера есть два основных параметра: диаметр и шаг. Их обозначают по-разному: 10 × 4.5, 10 × 45 или просто 1045. Это означает, что диаметр пропеллера 10 дюймов, а его шаг 4,5 дюйма. Чем длиннее пропеллер и больше шаг, тем большую тягу он сможет создавать, но при этом повысится нагрузка на мотор и увеличится потребление тока, в результате он может сильно перегреться и электроника выйдет из строя. Поэтому винты подбираются под мотор. Ну или мотор под винты, тут как посмотреть. Обычно на сайтах продавцов моторов можно встретить информацию о рекомендуемых пропеллерах и аккумуляторах для выбранного мотора, а также тесты создаваемой тяги и эффективности. Существуют и пропеллеры с изменяемым шагом, что в теории повысит маневренность, но в реальности добавит сложную механику, имеющую свойство изнашиваться и ломаться с последующим дорогостоящим ремонтом.

Также чем больше винт, тем больше его инерция. Если нужна маневренность, лучше выбрать винты с большим шагом или трехлопастные. Они при том же размере создают тягу в 1,2–1,5 раза больше. Понятно, что винты и скорость их вращения нужно подбирать так, чтобы они смогли создать тягу большую, чем вес аппарата.

И наконец, бесколлекторные моторы. У моторов есть ключевой параметр - kV. Это количество оборотов в минуту, которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения. Это не мощность мотора, это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше оборотов, но выше крутящий момент. Чем больше kV при той же мощности, тем больше оборотов и ниже момент. При выборе мотора ориентируются на то, что в штатном режиме он будет работать при мощности 50% от максимальной. Не стоит думать, что чем kV больше - тем лучше, для коптеров с типичной 3S-батареей рекомендуемое число находится в диапазоне от 700 до 1000 kV.

info

Более прочный материал - дюраль (Д16Т). Практически не гнется, достаточно пружинистый, и его применяют в авиации. Профили из него в ОБИ не продаются, но можно поймать на Митинском рынке на третьем этаже, на рынке ТВЦ «Строй» тоже были.

Питание и контроллеры питания

Капитан подсказывает: чем больше мощность мотора, тем больше батарейка ему нужна. Большая батарейка - это не только емкость (читай, время полета), но и максимальный ток, которая она отдает. Но чем больше батарейка, тем больше и ее вес, что вынуждает скорректировать наши прикидки относительно винтов и моторов. На сегодняшний день все используют литий-полимерные батарейки (LiPo). Они легкие, емкие, с высоким током разрядки. Единственный минус - при отрицательных температурах работают плохо, но если их держать в кармане и подключать непосредственно перед полетом, то во время разряда они сами слегка разогреваются и не успевают замерзнуть. LiPo-элементы вырабатывают напряжение 3,7 В.

При выборе батареи стоит обращать внимание на три ее параметра: емкость, измеряемую в миллиампер-часах, максимальный ток разряда в емкостях аккумулятора (С) и число ячеек (S). Первые два параметра связаны между собой, и при их перемножении ты узнаешь, сколько тока сможет отдавать этот аккумулятор продолжительное время. Например, твои моторы потребляют 10 А каждый и их четыре штуки, а батарея имеет параметры 2200 мА · ч 30/40C, таким образом, коптеру требуется 4 10 A = 40 A, а батарея может выдавать 2,2 A 30 = 66 A или 2,2 А 40 = 88 А в течение 5–10 секунд, что явно будет достаточно для питания аппарата. Также эти коэффициенты напрямую влияют на вес аккумулятора. Внимание! Если тока будет не хватать, то в лучшем случае батарея надуется и выйдет из строя, а в худшем загорится или взорвется; это же может произойти при коротком замыкании, повреждении или неправильных условиях хранения и зарядки, поэтому используй специализированные зарядные устройства, аккумуляторы храни в специальных негорючих пакетах и летай с «пищалкой», которая предупредит о разрядке. Число ячеек (S) указывает на количество LiPo-элементов в батарее, каждый элемент выдает 3,7 В, и, например, 3S-аккумулятор будет отдавать примерно 11,1 В. Стоит обращать внимание на этот параметр, так как от него зависят скорость оборотов моторов и тип используемых регуляторов.

Элементы батареи объединяют последовательно или параллельно. При последовательном включении увеличивается напряжение, при параллельном - емкость. Схему подключения элементов в батарее можно понять по ее маркировке. Например, 3S1P (или просто 3S) - это три последовательно подключенных элемента. Напряжение такой батареи будет 11,1 В. 4S2P - это восемь элементов, две группы, подключенных параллельно по четыре последовательных элемента.

Однако моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые регуляторы скорости. Регуляторы скорости (они же «регули» или ESC) управляют скоростью вращения моторов, заставляя твой коптер балансировать на месте или лететь в нужном направлении. Большинство регуляторов имеют встроенный стабилизатор тока на 5 В, от которого можно питать электронику (в частности, «мозг»), можно использовать отдельный стабилизатор тока (UBEC). Выбираются контроллеры скорости исходя из потребления мотором тока, а также возможности перепрошивки. Обычные регули довольно медлительны в плане отклика на поступающий сигнал и имеют множество лишних настроек для коптеростроительства, поэтому их перепрошивают кастомными прошивками SimonK или BLHeli. Китайцы и тут подсуетились, и часто можно встретить регуляторы скорости с уже обновленной прошивкой. Не забывай, что такие регули не следят за состоянием аккумулятора и могут разрядить его ниже 3,0 В на банку, что приведет к его порче. Но в то же время на обычных ESC стоит переключить тип используемого аккумулятора с LiPo на NiMH или отключить уменьшение оборотов при разрядке источника питания (согласно инструкции), чтобы под конец полета внезапно не отключился мотор и твой беспилотник не упал.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами, последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении, что очень важно для коптеров.

Два силовых провода, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. НЕ ПЕРЕПУТАЙ ПОЛЯРНОСТЬ! Вообще, для удобства регуляторы подключают не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module - модулю распределения энергии. Это, в общем-то, просто плата, на которой припаяны силовые провода регуляторов, распаяны разветвления для них и припаян силовой кабель, идущий к батарее. Конечно, батарею не надо припаивать, а надо соединить через разъем. Ты же не хочешь перепаивать батарею каждый раз, как она сядет.

Бортовой компьютер и сенсоры

Выбор полетных контроллеров для коптеров очень велик - начиная от простого и дешевого KapteinKUK и нескольких open source проектов под Arduino-совместимые контроллеры до дорогого коммерческого DJI Wookong. Если ты настоящий хакер, то закрытые контроллеры тебя не должны сильно интересовать, в то время как открытые проекты, да еще и основанные на популярной ардуинке, привлекут многих программистов. О возможностях любого полетного контроллера можно судить по используемым в нем датчикам:

Гироскоп позволяет удерживать коптер под определенным углом и стоит во всех контроллерах; акселерометр помогает определить положение коптера относительно земли и выравнивает его параллельно горизонту (комфортный полет); барометр дает возможность удерживать аппарат на определенной высоте. На показания этого датчика очень сильно влияют потоки воздуха от пропеллеров, поэтому стоит прятать его под кусок поролона или губки; компас и GPS вместе добавляют такие функции, как удержание курса, удержание позиции, возврат на точку старта и выполнение маршрутных заданий (автономный полет). К установке компаса стоит подойти внимательно, так как на его показания сильно влияют расположенные рядом металлические объекты или силовые провода, из-за чего «мозги» не смогут определить верное направление движения; сонар или УЗ-дальномер используется для более точного удержания высоты и автономной посадки; оптический сенсор от мышки используется для удержания позиции на малых высотах; датчики тока определяют оставшийся заряд аккумулятора и могут активировать функции возврата на точку старта или приземление.

Сейчас существует три основных открытых проекта: MultiWii, ArduCopter и его портированная версия MegaPirateNG. MultiWii самый простой из них, для запуска требует Arduino с процессором 328p, 32u4 или 1280/2560 и хотя бы одним датчиком-гироскопом. ArduCopter - проект, напичканный всевозможным функционалом от простого висения до выполнения сложных маршрутных заданий, но требует особого железа, основанного на двух чипах ATmega. MegaPirateNG - это клон ArduCopter, который способен запускаться на обычной ардуине с чипом 2560 и минимальным набором датчиков из гироскопа, акселерометра, барометра и компаса. Поддерживает все те же возможности, что и оригинал, но всегда догоняет в развитии.

Продвинутый девяти-
канальный пульт

С железом для открытых проектов аналогичная ситуация, как и с рамами для коптера, то есть ты можешь купить готовый контроллер или собрать его самостоятельно с нуля или на основе Arduino. Перед покупкой стоит всегда обращать внимание на используемые в плате датчики, так как развитие технологий не стоит на месте, а старье китайцам как-то надо распродать, к тому же не все сенсоры могут поддерживаться открытыми прошивками.

Наконец, стоит упомянуть еще один компьютер - PX4, отличающийся от клонов Arduino тем, что у него есть UNIX-подобная операционная система реального времени, с шеллом, процессами и всеми делами. Но надо предупредить, что PX4 - платформа новая и довольно сырая. Сразу после сборки не полетит.

Настройка полетных параметров, как и программы настройки, очень индивидуальна для каждого проекта, а теория по ней могла бы занять еще одну статью, поэтому вкратце: почти все прошивки для мультикоптеров основаны на PID-регуляторе, и основной параметр, требующий вмешательства, - пропорциональная составляющая, обозначаемая как P или rateP. Если при взлете твой коптер дергается из стороны в сторону, то это значение надо уменьшать, если же вяло реагирует на внешние воздействия, то наоборот - повышать, остальные нюансы ты сможешь найти в инструкциях и на сайтах разработчиков.

Безопасность

Все новички, думая о безопасности, вспоминают AR.Drone и его защиту винтов. Это хороший вариант, и он работает, но только на мелких и легких аппаратах, а когда вес твоего коптера начинает приближаться к двум килограммам или давно перевалил за эту цифру, то спасти может только прочная железная конструкция, которая будет весить очень много и, как ты понимаешь, сильно уменьшит грузоподъемность и автономность полета. Поэтому лучше сперва тренироваться подальше от людей и имущества, которое можно повредить, а уже по мере улучшения навыков защита станет и не нужна. Но даже если ты пилот со стажем, то не забывай о технике безопасности и продумывай возможные негативные последствия твоего полета при нештатных ситуациях, особенно при полетах в людных местах. Не стоит забывать, что сбой контроллера или канала связи может привести к тому, что аппарат улетит от тебя далеко, и тогда для поиска может пригодиться GPS-трекер, установленный заранее на коптер, или же простая, но очень громкая пищалка, по звуку которой ты сможешь определить его местоположение. Настрой и заранее проверь функцию fail safe твоего полетного контроллера, которая поможет приземлиться или вернуть коптер на точку старта при потере сигнала с пульта.

Управление

Немного про радиоаппаратуру. Сейчас практически все передатчики для летающих моделей работают на частоте 2,4 ГГц. Они достаточно дальнобойные, и этот частотный диапазон не так зашумлен, как, например, 900 МГц. Для полета вообще-то достаточно четырех каналов: газ, рыскание, тангаж, крен. Ну а восьми каналов точно хватит и на что-нибудь еще.

info

Для полетов с камерой обзаведись подвесом, который будет удерживать камеру параллельно горизонту при маневрах, а также поможет управлять наклоном камеры. Большинство контроллеров имеют выходы для стабилизации подвесов с сервоприводом, а также выход для переключателя управления кнопкой спуска камеры.

Комплект обычно состоит из самого пульта и приемника. На приемнике находятся ручки управления и дополнительные кнопки. Обычно выбирают аппаратуру Mode2, когда левый стик управляет газом и поворотом, а правый - наклонами коптера. Все ручки, кроме газа, подпружинены и возвращаются в начальное положение при отпускании. Также стоит обращать внимание на количество каналов. Для беспилотника потребуется четыре канала управления и один канал для переключения режимов полета, кроме того, могут потребоваться дополнительные каналы для управления камерой, для настройки или для особых режимов полетного контроллера. При выборе пульта стоит также учитывать возможность смены радиомодуля, чтобы в будущем его можно было легко обновить.

Цель этой статьи - помочь в выборе подходящих двигателей для самостоятельной постройки квадрокоптера или модификации. Независимо от того, нужен ли вам скоростной дрон для гонок, и занятий FPV фристайлом, стабильный в полете для проведения аэросъёмок или хочется просто занять ребёнка на выходные недорогой игрушкой, знание основных параметров и характеристик электромоторов не помешает в любом случае.

Вот о чём пойдёт речь:

• Введение. Масса квадрокоптера и тяга моторов.
• Размеры двигателя.
• Несколько слов о kV.
• Значения N и P.
• Соотношение размеров рамы, пропеллеров и мощности двигателя
• Как расшифровать спецификацию мотора
• Основные показатели работы двигателей
• Дополнительные параметры эффективности
• Особенности двигателей для мини квадрокоптеров
• Моторы CW и CCW
• С чего начать, если ищете подходящие моторы для квадрокоптера.

Масса и тяга

Если вы только начинаете интересоваться мини квадрокоптерами и FPV, имеет смысл разобраться в том, как связаны между собой тяга двигателей и полётный вес вашего беспилотника. Это будет полезно для создания собственного дрона или при апгрейде уже готового. Более опытные пилоты могут спокойно пропустить этот раздел и сразу перейти к выбору размера двигателя.

Общий вес

В первую очередь определите вес вашего будущего беспилотника. Не нужно расстраиваться, если не удастся сделать этого точно и сразу - для начала достаточно приблизительной оценки. Она должна учитывать включать все, что будет на борту: сама рама (frame), полётный контроллер (FC), силовые провода питания (PDB), двигатели, пропеллеры, регуляторы оборотов (ESC), один или несколько LiPo аккумуляторов, полезная грузоподъёмность - например, камера HD, передатчик для неё и все остальное.

Размер рамы

Второе, что нужно знать, это размер рамы будущего квадрокоптера. Из него можно определить, какие пропеллеры будут использоваться.

Необходимая тяга двигателей

После того как определена полная масса и планируемый размер рамы квадрокоптера, можно примерно рассчитать параметры двигателей, которое необходимо установить на беспилотник, чтобы поднять его в воздух с пропеллерами определённого размера.

Соотношение тяги и веса беспилотника

Основное правило заключается в том, что выбранные для квадрокоптера двигатели должны обеспечивать вдвое большую тягу, чем собственный вес аппарата. Это необходимый минимум мощности, без которого невозможно обеспечить стабильность полёта и контролировать зависание. Если тяга двигателей меньше этого предела, аппарат не сможет правильно выполнять команды пилота или даже не взлетит вовсе.

Например, если вы хотите построить квадрокоптер весом 1 кг, общая тяга, создаваемая его двигателями при полной мощности, должна составлять, по крайней мере, 2 кг или 500 грамм на каждый мотор. Но в реальности, для нормального полёта неплохо иметь ещё больше тяги.

Для того чтобы летать быстрее, особенно для гоночных дронов, планируйте коэффициент тяги выше стандартного. Довольно часто при создании мини квадрокоптера в проект закладывается соотношения 8 к 1 или даже 10 к 1. Это добавит динамики полёту, ваш аппарат станет более манёвренным и будет разгоняться быстрее. Но слишком большое отношение тяги к весу осложнит управление - беспилотник будет пулей срываться с места при малейшем прикосновении к регулятору газа.

Даже если вы планируете использовать квадрокоптер для аэрофотосъёмки и летать медленно, можно рекомендовать соотношение тяги к массе от 3 к 1 до 4 к 1. Это не только даст дополнительный запас манёвренности и улучшит управление, но и добавит запас грузоподъёмности. Полезной нагрузкой может стать более тяжёлая камера или дополнительные батареи для увеличения времени полёта. Но если вы хотите участвовать в гонках, не следует ограничивать тягу вообще. Летайте настолько быстро, насколько это возможно.

Размер двигателя

Размер бесколлекторных двигателей, применяемых в квадрокоптерах и радиоуправляемых моделях, обычно обозначается 4-значным числом вида AABB. Первые две цифры AA - это ширина (диаметр) статора, а две последующие BB - его высота, приведённые в миллиметрах. В большинстве случаев, чем выше статор, тем большую мощность он имеет при максимальных оборотах, а статор большего диаметра обладает лучшим крутящим момента, но обороты такого двигателя ниже.

Как устроен типичный статор бесщеточного электромотора? Он представляет собой находящийся внутри двигателя неподвижный пакет, изготовленный из множества слоёв тонких металлических пластин, ламинированных ещё более тонкими слоями изоляционного материала. Вокруг статора расположены обмотки из медного провода, по которым проходит электричество. Такая сложная многослойная конструкция необходима для того, чтобы в статоре не возникали токи Фуко, приводящие к чрезмерному нагреву.

Размер пропеллера, совместимого с конкретным двигателем, определяет диаметр его вращающегося вала. Моторы для 4", 5" и 6" лопастей обычно комплектуются валом с резьбой M5. Большинство современных электромоторов являются outrunner и сконструированы так, что их вал запрессован во внешний колокол двигателя с постоянными магнитами, вращающийся вокруг неподвижного статора. Более старые модели могут иметь дополнительный адаптер для установки пропеллера.

Величина kV для бесщеточного двигателя

KV - это константа скорости. Она является важным параметром бесщеточных двигателей и показывает, на сколько оборотов в минуту может возрасти скорость вращения вала двигателя, если напряжение на обмотках поднимается на 1 вольт. Это теоретическая расчётная величина, которая не учитывает нагрузку от пропеллера. Например, при подключении двигателя 2300 kv к батарее питания 3S LiPo напряжением 12,6 В, его вал может раскрутиться примерно до 29 тыс. оборотов в минуту или 2300 * 12,6. Это оценочное округлённое значение, которое указывает изготовитель мотора.

На практике обороты будут значительно отличаться. Дело в том, что после установки пропеллера, величина RPM всегда уменьшается из-за сопротивления воздуха. Моторы с более высоким значением константы kV будут быстрее вращать пропеллер, но двигатели c более низким kV обычно способны создать значительный крутящий момент. По этой причине на крупные квадрокоптеры обычно устанавливают двигатели с низкими kV, и для более лёгких и скоростных беспилотников больше подходят моторы с большим значением kV.

Значение kV двигателя всегда определяется количеством витков провода в медной обмотке статора и используемыми постоянными магнитами. Как правило, увеличение числа витков обмотки снижает kV, а уменьшение приводит к его росту. В современных электромоторах для квадрокоптеров применяются самые сильные магниты из сплавов редкоземельных металлов, таких как неодим, самарий и кобальт.

Если на двигатель с большим значением kV установить чрезмерно большой пропеллер, создающий высокое сопротивление, мотор будет стремиться быстро вращать его. Но при этом потребуется большая сила тока, как при меньших значениях kV и будет выделяться слишком много тепла на обмотках. В конечном счёте это может привести к повреждению из-за перегрева и коротким замыканиям в катушках статора.

Цифры N и P в обозначениях двигателей

Возможно, вы уже видели нечто наподобие «12N14P», напечатанное на корпусе бесщеточного двигателя для квадрокоптера. Код легко расшифровывается: число перед буквой N означает количество электромагнитов в статоре, а число между N и P - это количество используемых постоянных магнитов.

Большинство моторов для беспилотников имеют стандартную конфигурацию 12N14P. Некоторые двигатели с более низким kV оснащены большим числом электромагнитов и постоянных магнитов, чтобы повысить крутящий момент. Обычно они стоят немного дороже. В любом случае не следует придавать большого значения цифрам N и P. Полезно знать, что это такое, но при выборе подходящего двигателя, особенно для мини квадрокоптеров, это не самая важная информация.

Размеры рамы, пропеллеров и двигателей

В большинстве случаев, зная размер рамы квадрокоптера, мы можем оценить, двигатель какого размера нужно использовать. Дело в том, что рама ограничивает допустимые диаметры пропеллеров, для каждого каждого из которых нужно другое число оборотов, создающих эффективную тягу.

Здесь большую роль играет величина kV выбранного электромотора. Необходимо убедиться в том, что достаточно крутящего момента, чтобы вращать пропеллер. Это напрямую зависит от размеров статора. Точные математические формулы, используемые для определения kV и геометрии статора, довольно сложны. Но для большинства пилотов совершенно нет необходимости беспокоиться об этом, чтобы применять расчёты на практике.

Чтобы упростить методику выбора, можно оценить необходимую тягу и убедиться, что текущая нагрузка не превышает допустимый уровень безопасности. Для этой цели можно воспользоваться несложной таблицей. В ней приведены значения для стандартных 4S LiPo батарей. Допустимо использовать более низкие или более высокие значения kV, но придерживаться при этом разумных ограничений.

Размер рамы	Пропеллеры	Размер двигателей	Значение KV
150 мм и менее	3”	1105-1305 и меньше	3000 kV и более
180 мм	4”	1806	2600 – 3000 kV
210 мм	5”	2204-2208, 2306	2300 – 2600 kV
250 мм	6”	2204-2208, 2306	2000 – 2300 kV
350 мм	7”	2208	1600 kV
450 мм и более	8”,9”,10” и более	2212 и более	1000 kV и менее

Напряжение и ток

Важно понимать, как именно напряжение питания влияет на ваш выбор мотора и пропеллера. Чем больше напряжение, тем быстрее будет вращаться вал и намного выше сила тока. Необходимо тщательно сопоставить эти два параметра для получения необходимой тяги.

Когда вы хорошо представляете себе, какие именно двигатели нужны и каково будет значение тяги, будет несложно подобрать соответствующие им регуляторы оборотов ESC.

Как читать характеристики двигателя

У каждого двигателя есть спецификация, которую предоставляет продавец или изготовитель. Для правильного выбора нужно уметь найти среди большого количества параметров информацию о мощности, тяге, оборотах и весе мотора, которые имеют первостепенное значение. Например, технические данные популярной модели моторов Sunny Sky могут выглядеть так:

Основные параметры электромотора

Как только вы определитесь с размером двигателя, нужно продолжить выбор из нескольких вариантов. Несмотря на одинаковые габариты, изделия разных производителей могут отличаться друг от друга по многим другим параметрам. Чтобы найти подходящий вариант в первую очередь, оцените следующие факторы:

• максимальную тягу двигателя (Max Trust);
• рабочую силу тока (Current Draw);
• КПД или коэффициент полезного действия (Efficiency);
• вес электромотора (Weight).

Не забывайте, что выбор будет зависеть от личных предпочтений и цели, для которой создаётся ваш новый квадрокоптер.

Тяга и мощность

Тяга, вероятно, первое, на что смотрят при выборе двигателя. Чем выше скорость, тем подвижнее и манёвреннее будет ваш беспилотник. Но не нужно забывать об энергоэффективности и всегда следить за тем, чтобы мощность не превышала допустимые для вашего оборудования параметры.

Основное правило заключается в том, чтобы не злоупотреблять напряжением батарей и расходом энергии. Если квадрокоптер потребляет очень большой ток при максимальной скорости полёта, время разряда аккумуляторов должно соответствовать такому потреблению без перегрева батарей. Они должны сохранять нормальную работоспособность в течение разумного времени.

Тяга двигателя и его мощность - важнейшие параметры, забывать о которых нельзя. Но это не единственные вещи, определяющие правильный выбор.

Вес двигателя

Собственный вес электродвигателя - фактор, о котором нередко забывают. Он особенно важен для гоночных дронов и аппаратов для занятий фристайлом.

Поскольку моторы размещены в углах рамы, далеко от центра масс, они оказывают большое влияние на манёвренность квадрокоптера. Тяжёлые двигатели увеличивают момент инерции, что затрудняет изменение угловой скорости. На практике, когда беспилотник начинает делать сальто и бочку, нужно некоторое время, чтобы набрать необходимое угловое ускорение и перейти в нужное положение. Чем тяжелее двигатель, тем больший крутящий момент требуется для разворота.

Двигатель имеет собственный момент инерции. Чем тяжелее мотор, тем больше крутящего момента нужно для вращения его вала. Поэтому требуется больше времени для изменения частоты вращения. Это влияет на отзывчивость двигателя и манёвренность квадрокоптера в целом. Аппарат с более тяжёлыми двигателями требует значительных поправок от PID регулятора.

Вес двигателя имеет гораздо большее значение для тех, кто увлекается акробатикой и гонками, чем для любителей пейзажной съёмки с воздуха.

Энергоэффективность

Эффективность двигателя - это отношение тяги к мощности, которую обычно измеряется в единицах грамм/ватт. Важно обращать внимание на характеристики во всём диапазоне оборотов вала (дроссельной заслонки), а не только на верхней границе. Бывает так, что мотор эффективен на низких оборотах и развивает отличную тягу, но теряет свои характеристики при больших токах, по мере приближения пиковой мощности.

Менее эффективный двигатель не только расходует много энергии и снижает скорость полёта. Проблема в том, что батареи страдают от сильных перепадов тока. Это может привести к их быстрому выходу из строя. Важно знать, что неэффективные двигатели либо генерируют слишком мало тяги, либо требуют слишком большого тока для нормальной работы. Поэтому ещё одним вариантом оценки является отношение тяги к силе тока, выраженное в граммах на ампер.

Более тонкие характеристики

Важные характеристики бесколлекторных электромоторов для квадрокоптеров не упоминаются производителями в заводской спецификации и могут быть получены только при самостоятельном тестировании. Вот основные из них:

• крутящий момент;
• время отклика;
• температура нагрева при работе;
• уровень вибраций и баланс.

Крутящий момент

Крутящий момент определяет, как быстро двигатель может увеличить скорость вращения. Это влияет на отзывчивость, точность управления и поведение квадрокоптера в полете. Мотор с высоким крутящим моментом лучше реагирует на команды, потому что изменение числа оборотов двигателя происходит быстрее. Задержи управления будут очень малы или совсем незаметны.

Высокий крутящий момент позволяет использовать более мощные пропеллеры при одинаковой силе тока. Если вы установите слишком мощные винты на двигатели с малым крутящим моментом, они просто не смогут привести пропеллеры в движение или не наберут достаточных оборотов. Это неизбежно приведёт к снижению тяги и потере мощности.

Но у двигателей с высоким крутящим моментом есть и существенный недостаток. Это колебания в полете, которые бывает трудно устранить настройками. Дело в том, что такие моторы очень быстро реагируют на повышение тока в системе ESC и меняют скорость вращения. Это часто приводит к ошибкам системы управления и может вызывать колебания в полете, особенно по оси рысканья.

Время отклика

Время отклика - это производная величина от крутящего момента. Высокий крутящий момент обычно означает быстрое время отклика. Самый простой способ измерить время отклика - посмотреть, сколько времени потребуется двигателю для перехода от нулевой до полной скорости вращения вала. Не забывайте, что для разных пропеллеров время отклика мотора также будет отличаться.

Температура нагрева при работе

Повышение температуры электродвигателя во время работы приводит к тому, что постоянные магниты постепенно размагничиваются и теряют часть своей силы. При этом, естественно, снижается и производительность мотора. К сожалению, этот процесс необратим и постепенно приводит к разрушению двигателя. Поэтому более холодный двигатель, с меньшим уровнем нагрева, всегда означает более длительный срок службы.

Уровень вибраций и балансировка

Если двигатель плохо сбалансирован или имеет низкое качество сборки, вы можете столкнуться с вибрацией, которая будет влиять на квадрокоптер и может серьёзно осложнить настройку ПИД-регулятора.

В некоторых случаях использование мягких монтажных крепления для двигателей или полётного контроллера может снизить вибрацию и привести к положительному эффекту. Но такое решение нельзя назвать полностью универсальным. Гораздо правильнее использовать качественные моторы, даже если они немного дороже.

Следует помнить, что комбинированные или просто несбалансированные пропеллеры также могут вызывать вибрации на двигателе, которые очень сложно устранить.

Особенности моторов для квадрокоптеров

Есть много конструктивных особенностей, которые могут влиять на производительность конкретного двигателя, причём в значительной степени. Например, электромоторы с одинаковыми размерами статора и значениями kV, могут выдавать при работе совершенно различную тягу и потребление тока из-за отличий в конструкции. Это могут быть используемые магниты, воздушный зазор, полый вал и многое другое.

Вот факторы, которые способствуют повышению производительности и могут серьёзно изменить характеристики двигателя:

• полый вал;
• тип магнитов;
• толщина ламината статора;
• толщина воздушного зазора;
• сечение проводов обмотки;
• дуговые магниты;
• защёлки фиксации вала и шплинты.

Полый вал

Наличие высверленной полости позволяет использовать более твёрдый и тяжёлый металл для более прочных валов большего диаметра. При этом вес мотора остаётся неизменным или даже способствует созданию более лёгких агрегатов.

Тип магнитов

В современных бесщеточных моторах применяются неодимовые магниты, такие как N52, N54 и подобные им. Цифровое обозначение после буквы N являются характеристикой силы магнита - напряжённостью создаваемого им магнитного поля. Чем больше это число, тем сильнее магнит и тем выше создаваемый им крутящий момент и более быстрый отклик двигателя.

Толщина ламината статора

Если не вдаваться в тонкости конструкции, чем тоньше, тем лучше. Это увеличивает мощность, снижает нагрев и ведёт к повышению эффективности.

Меньший воздушный зазор

Толщина воздушного зазора указывает, насколько далеки магниты от статора. Чем ближе они расположены, тем энергоэффективное и мощнее сам двигатель, а также лучше показатель крутящего момента и ниже время отклика.

Сечение провода в обмотке

Более толстая проволока увеличивает максимально допустимую силу тока, но она будет и более тяжёлой. Слишком большое сечение может потребовать использования более мощных регуляторов ESC.

Дуговые магниты

Использование дуговых или изогнутых магнитов - это метод большего приближения магнитов к статору. Он обеспечивает более непрерывный и меньший воздушный зазор, что улучшает общую эффективность двигателя.

Шплинты и пружинные шайбы типа C-Clip или E-Clip

Чтобы зафиксировать внешний колокол двигателя на валу, производители обычно используют один из методов:

• C-образный зажим;
• E-образный зажим;
• обыкновенный шплинт.

Каждый из этих способов имеет свои плюсы и минусы и трудно сказать, какой из них лучше. Считается, что шплинты легче в использовании, так как их легче удалить винт, чем C-образный или E-образный зажим. Но они подвержены риску чрезмерного затягивания или блокировке вала, которые увеличиваю силу трения и препятствует вращению.

Есть данные, что С-образные зажимы иногда выскакивают во время полёта, из-за чего кожух двигателя может просто слететь. Вероятно, такое может случиться, но и шплинты не застрахован от подобной проблемы.

Другие особенности конструкции

Такие детали конструкции двигателя, как контакты для пайки, встроенный регулятор ESC или специальный охлаждающий кожух-радиатор делают современные силовые агрегаты для квадрокоптеров более мощными и надёжными, но при этом могут увеличить размер и вес.

Уменьшение воздушного зазора и применение более сильных магнито также может иметь негатвные последствия. Из-за этого нельзя использовать высокое напряжение питания, такое как 5S или 6S, не рискуя сжечь ваш беспилотник, потому что сила тока будет просто запредельной и провода начнут плавиться.

Значительный рост потребляемой мощности также будет заметен в результате использовании более тяжёлых пропеллеров, повышении общей полётной массы и потребности в более мощных регуляторах ESC.

CW и CCW – вращение по часовой и против часовой стрелки

В маркировке двигателей или спецификации часто применяют сокращения CW и CCW. Они обозначают «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки».

Это не означает, что они могут вращаться только в одном направлении. По сути, они являются одинаковыми и могут работать в обоих направлениях. Единственная разница в двигателе CW и CCW - это направление, в котором крутится вал пропеллера. Идея заключается в том, чтобы всегда использовать два двигателя CW и два CCW. При вращении все четыре опорные гайки затягиваются, а не ослабляются.

Чтобы определить, соответствует ли резьба вашего двигателя пропеллеру, слегка наденьте его на вал, а затем рукой проверните мотор в направлении рабочего вращения. Если гайка затягивается, значит, все получилось правильно.

Балансировка двигателей квадрокоптера

После того как двигатели выбраны и приобретены, первое, что нужно сделать, это сбалансировать их. Процедура несложна и проводится при помощи пластмассовых грузиков из самозатягивающихся хомутов или кусочков скотча. Это необязательно, но вреда не принесёт и может быть очень полезно, особенно при использовании размером 2212 или крупнее. Для миниатюрных силовых агрегатов 2208 или меньше, как правило, балансировка не требуется, потому что качество сборки в целом очень хорошее.

С чего начать поиск подходящих моторов

Вариантов очень много. Чтобы сберечь временя, мы подготовили небольшой список из 5 лучших моторов, на которые следует обратить внимание в первую очередь. Вот наши рекомендации по выбору двигателей для квадрокоптеров:

1. Двигатель STAR POWER R2204-2460KV.
2. Двигатель для мультикоптеров массой 5-10кг модель HL W48-30 420KV
3. Двигатель для мультироторных систем Т-MOTOR MT3506 650KV
4. Двигатель с внешним ротором для мини мультикоптеров DYS BE1806 / 2300KV 2-3S
5. Двигатель SunnySky X2204SII CW KV2300