Двигатель для квадрокоптера – это важнейшая деталь для профессионального моделиста, без которой аппарат не будет работать. Конечно, вместо двигателя применяются электромоторы.
Особого распространения квадрокоптеры с двигателями не получили, но опытные пилоты предпочитают аппарат, оснащенный двигательной системой.
Как разумно подобрать двигатель для квадрокоптера? Несомненно, данную деталь стоит подбирать исходя из характеристик и возможностей летающего аппарата. Использование мотора необходимо только в больших квадрокоптерах, иначе его наличие будет неоправданно и аппарат попросту не будет работать.
Главным правилом является то, что выбирать мотор стоит уже после окончательной сборки квадрокоптера. При планировании присоединять к летающему устройству видеокамеру или иное устройство, стоит учитывать дополнительный вес. Чтобы не перегружать аппарат, необходимо рассчитать тягу, которую можно посмотреть по специальным таблицам. К примеру, если вес аппарата равен 1,5 килограмма, то тяга должна быть в 2 раза больше, то есть быть равной 3 килограммам.
В данном видео рассказывается о моторе для квадрокоптера и принципе его работы, который поможет понять, что вам требуется приобрести для нормальной работы устройства.
Чтобы правильно подобрать двигатель квадрокоптера, стоит тщательно изучить все его характерные свойства. Не менее важную роль играют винты аппарата. Квадрокоптер висит в воздухе за счет нескольких пар несущих винтов, вращающихся в различных направлениях.
Как раз для того, чтобы винты нормально работали, требуется подобрать двигатель на основе параметров своего квадрокоптера. Винты потребляют большую энергию двигателя, и мощность мотора важна при покупке.
Для подбора правильного мотора рекомендуем ознакомиться с различными видеозаписями, где вам подробно расскажут о хороших деталях для квадрокоптера. За счет советов, которые будут давать уже опытные пилоты, можно собрать уникальный квадрокоптер с мощным двигателем.
Зачем нужен мощный двигатель? Во-первых, он позволяет летать аппарату намного быстрее и дольше, совершать определенные маневры. Во-вторых, на квадрокоптер можно повесить дополнительный груз, к примеру, камеру, которая будет снимать материалы при полете на высоте. За счет этого можно сделать качественные снимки.
Следовательно, подбирать двигатель необходимо основываясь на том, какой квадрокоптер вы желаете собрать. Следует подбирать правильную мощность двигателя, иначе аппарат может либо не взлететь, либо вовсе будет неуправляемым. Чтобы избежать этого, необходимо прислушиваться к советам специалистов, и тогда собрать квадрокоптер будет очень просто.
Полёт квадрокоптера невозможен без качественного двигателя. Электропитание должно подаваться в любых условиях (наличие влажности, ветреная погода) для того, чтобы дрон мог нормально пролететь от одной точки к другой, или в чрезвычайной ситуации мог вернуться в точку взлёта. Купить двигатели для квадрокоптеров по оптимальной цене вам предлагает магазин «Quadrone». Сами моторы могут иметь совершенно разные размеры, мощность и цвет. Каждый производитель предусматривает установку изделия в коптеры лишь собственного производства. Единственная универсальная черта для всех двигателей – это цилиндрическая форма, как и в любой другой радиоуправляемой модели.
Типы и производители моторов для коптеров
Существует три основных вида двигателей для коптеров:
Одним из самых распространённых типов является бесколлекторный. Его популярность объясняется просто: низкое энергопотребление благодаря системе. На обмотки таких моторов ток идёт с небольшими перерывами (а именно – по заданной частоте). Подача напряжения позволяет раскручивать двигатель и экономить заряд батареи коптера.
В наличии есть двигатели от следующих производителей:
- Hubsan
- Walkera
- другие компании
Все изделия представлены как для конкретно заданных моделей, так и для целого ряда летательных аппаратов от одной компании. В отличие от более ранних моторов, современные способны достигать КПД до 95 процентов. Также двигатели для квадрокоптеров отличаются небольшим весом, благодаря чему они и способны поднимать грузы вроде камер на себе. Рабочий диапазон температур – от 0 до 40 градусов. Кроме двигателей в наличии есть винты, которые подойдут под конкретную модель коптера.
Приобрести мотор
При необходимости замены мотора обращайтесь к нам. Купить двигатели для квадрокоптеров в Москве вам предлагает интернет-магазин «Quadrone». Все изделия из каталога являются оригинальными, поэтому на них предоставляется гарантия. Доставка осуществляется по всей стране выбранным вами способом. При наличии вопросов пишите и звоните по указанным координатам, с вами свяжутся. Закажите для своего летательного аппарата долговечный мотор, который прослужит вам при съёмках, развлекательных полётах и гонках. Следите за обновлениями каталога, который пополняется новыми предложениями.
При создании коптера одним из важнейших параметров является время автономного полёта. Если вы хотите, что бы ваш коптер летал как можно дольше, моторы и их несущие винты должны работать в оптимальном режиме с максимальным КПД. Для решения данной задачи нами был спроектирован специальный измерительный стенд, речь о котором и пойдет в данной статье.
Мы занимаемся созданием бесколлекторных моторов и недавно у нас был заказ на мотор для квадрокоптера с тягой не менее 2 Кг на каждый винт. До этого мы не делали моторы под воздушный винт и нам был необходим метод измерения и стенд для мотора с винтом.
Прежде чем начать выбирать оптимальный мотор и винт под него, сперва нужно разобраться какие потери возникают в моторах.
Основными источниками потерь в бесколлекторных моторах являются железо статора и его обмотка.
Потери на железе возникают из-за его перемагничивания. Данные потери условно можно считать пропорциональными оборотам мотора и они задают минимальную потребляемую энергию мотора. Так, например, если вы возьмете большой и мощный мотор для маленького коптера с маленьким винтом, то ничего хорошего у вас не получится. Мотор просто будет вращаться вхолостую с нулевым КПД и греть железо в статоре.
Потери в медной проволоке наоборот не зависят от оборотов, а зависят от тока/потребляемой мощности. Данные потери ограничивают максимальную мощность, которую способен выдать мотор не перегревшись.
Вторым важным элементом при выборе мотора является винт. Малые винты обладают более низкими показателями эффективности г/Вт(1 грамм подъёмной силы/1 Ватт потребляемой мощности), но маленькие винты более динамичны и позволяют быстро набрать скорость на гоночных коптерах. Для достижения максимального времени полёта винт должен соответствовать максимально эффективному режиму работы мотора.
Однако если мы захотим подобрать оптимальные комплектующие для своего коптера, то мы столкнемся с большой проблемой при их выборе. Производители дают минимальный набор характеристик для своего товара. По винтам вообще невозможно найти какой либо информации кроме их размера.
Функционал стенда
На данный момент несколько производителей уже представили на рынок свои стенды. Однако их возможности не сильно превосходит функционал кухонных весов. И данные стенды не способны дать всех характеристик при работе мотора.
Нам же от стенда были необходимы следующие параметры: потребляемая мощность, обороты мотора, тяга винта, момент создаваемый винтом, КПД мотора, эффективность мотора, винта.
Исходя из этих параметров мы спроектировали конструкцию стенда и снабдили его всеми необходимыми датчиками.
Для измерения силы тяги и момента были выбраны хорошо распространённые сейчас датчики с тензосопротивлением. Они обладают хорошей жесткостью и высокой точностью измерения и очень удачно подходят по своей конструкции.
Для измерения остальных параметров были выбраны стандартные для этого датчики: полупроводниковое термосопротивление для температуры, акселерометр для замера вибраций, датчик тока на эффекте холла для измерения тока и делитель для напряжения…
Сердцем нашего стенда является микроконтроллер ATMega328 на плате Arduino Nano. Он собирает показания с датчиков, обрабатывает их и выводит на экран. Данный микроконтроллер оптимально подходит для данной задачи. Он обладает минимальной ценой, не привередлив к питанию, стабилен и имеет достаточное количество интерфейсов для данной задачи.
В результате нашей работы был получен стенд со следующими параметрами:
- Питание через BEC модулю контроллера 5-9В, либо через micro USB
- Измерение тяги до 5Кг с точностью +-5г
- Измерение момента до 3Кг/см с точностью +-5г/см
- Измерение напряжения до 30В с точность +-0.2В
- Измерение тока до 30А с точностью +-0.1А
- Измерение КПД с точностью +-2.5%
- Возможность измерения оборотов винта в диапазоне 1000-15000RPM
- Возможность измерения относительных вибраций.(Можно использовать этот параметр для балансировки мотора с винтом путём уменьшения параметра вибраций)
- Измерение температуры мотора (*на данный момент не полностью реализовано в стенде, нами использовался отдельно подключенный датчик)
- Возможность управления педалью “газа” прямо с пульта
Мы испытали наш стенд на распространенном китайском моторе 2212 и на нашем моторе.
Пример испытания на видео
Китайский мотор во всём диапазоне не смог выдать КПД выше 50%, а его эффективность составила около 4-5г/Ватт. Наш же смог показать КПД выше 70%, при этом он работал на минимуме своей мощности(тест был в пике до 500Вт, теоретический максимум 1500Вт), т.к. размер тестируемого винта маловат для него и с большем винтом КПД только возрастёт. Эффективность же у нас получилась 9г/Ватт. Так что даже с учетом гораздо большего веса мотора, даже небольшой коптер с нашим мотором смог бы летать дольше.)
Экономный вариант
Стенд описанный в данной статье является достаточно сложным и предназначен для точной проработки силовых агрегатов дрона. Для случая, когда охото сэкономить и узнать просто тягу мотора, нами был сделан простой, дешевый адаптер способный выполнить данную функцию.
Данный адаптер крепится одним концом к мотору, вторым к бутылке с водой. Бутылка устанавливается на весы. Далее мотор запускается и тяга измеряется по показаниям весов.
Крепление на адаптере сделано универсальным и подходит практически под все распространенные моторы. На втором конце адаптера находится резьба для накручивания на 5ти литровую бутылку.
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.
- Тут важно не промахнуться с размером. Пропеллеры не должны наслаиваться. Проблемы доставляет и путаница с размерами. Добро пожаловать в мир дюймов
- 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)
- 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.
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:
- Двигатель STAR POWER R2204-2460KV.
- Двигатель для мультикоптеров массой 5-10кг модель HL W48-30 420KV
- Двигатель для мультироторных систем Т-MOTOR MT3506 650KV
- Двигатель с внешним ротором для мини мультикоптеров DYS BE1806 / 2300KV 2-3S
- Двигатель SunnySky X2204SII CW KV2300
