В этом руководстве мы рассмотрим тонкости конструкции двигателя, конструктивные особенности и факторы, которые могут влиять на мощность и эффективность двигателя. Четкое понимание той или иной конструкции предоставит вам знания для выбора идеального двигателя для вашего следующего дрона.
Утверждение о «лучшем двигателе для FPV-дрона» субъективно, поскольку каждый двигатель работает по-разному. В конечном итоге ваш выбор будет зависеть от вашего стиля полета, требований и бюджета. Возможно для ваших задачи и потребностей вас устроит «универсальный» двигатель.
При выборе параметров стабилизации двигателя по скорости [KV-constant velocity, измеряется в количестве оборотов в минуту на 1 вольт — rpm per Volt], 1600-2000kv предназначен для 6S, тогда как 2300-2800kv подходит для 4s. Варианты с более высоким KV, как правило, более агрессивны и энергоемки, в то время как варианты с более низким KV являются консервативными и эффективными. Ваш выбор будет зависеть от вашего стиля полета и применения. Перейдите по этой ссылке к таблице с рекомендуемыми комбинациями размера рамы, размера лопасти, размера двигателя и KV двигателя: https://oscarliang.com/table-prop-motor-lipo-weight/
С чего начать?
Если вы новичок в FPV рекомендуется сначала ознакомиться с основным оборудованием FPV-дрона. Прежде чем выбрать двигатель, важно иметь хотя бы приблизительное представление о размере и весе дрона, который вы планируете создать.
Некоторые из наиболее важных параметров, о которых следует помнить, включают:
- Вес двигателя
- Мощность (тяга)
- Эффективность (граммы на Ватт)
- Крутящий момент и реакция (динамика оборотов, измеряется в оборотах в минуту или RPM)
Бесколлекторные (бесщеточные) и коллекторные (щеточные) двигатели
В мире радиоуправляемых моделей существует два основных типа двигателей: бесколлекторные и коллекторные. Обычно мы используем бесколлекторные двигатели, потому что они более долговечны и мощны, в то время как коллекторные двигатели часто используются в игрушечных дронах, потому что они дешевле в изготовлении. В этом руководстве мы сосредоточимся исключительно на бесколлекторных двигателях, которые являются основным выбором для большинства дронов FPV.
Оценка веса и размера рамы дрона
Рассматривая общий вес вашего FPV-дрона, обязательно учтите все компоненты: раму, полетный контроллер (FC), электронный регулятор скорости (ESC), двигатели, пропеллеры, приемник сигнала управления (RX), видеопередатчик (VTX), антенну, аккумулятор LiPo, дополнительную экшн-камеру (типа GoPro), и тому подобное. Хотя эти измерения не обязательно должны быть на 100% точными, близкая точность оценки важна. Лучше переоценить вес и иметь дополнительную мощность, чем недооценивать мощность и испытывать трудности при взлете. Определив размер рамы, вы сможете установить максимально допустимый размер пропеллера. Чтобы узнать больше о выборе пропеллера, ознакомьтесь с информацией о пропеллерах.
Определение требований к тяге
Чтобы рассчитать минимальную тягу, необходимую для комбинации двигателя и пропеллера, вам необходимо знать приблизительный общий вес вашего дрона. Общее практическое правило заключается в том, что максимальная тяга, создаваемая всеми двигателями, должна, по крайней мере, удваивать общий вес дрона. Недостаточная тяга может привести к плохой реакции на управление и трудностям при подъеме.
Например, если у вас есть дрон весом 1 кг, общая тяга, создаваемая всеми двигателями при 100% газе, должна составлять не менее 2 кг. Это тяга 500 г, которую создает каждый двигатель дрона. Конечно, наличие большей тяги, чем необходимо, всегда является бонусом.
Для гоночных дронов отношение тяги к весу (или отношение мощности к весу) должно быть значительно выше, чем в примере выше. Соотношение 10:1 или даже 14: 1 не редкость. Для акробатики и фристайла рекомендуется иметь соотношение не менее 5:1.
Большее соотношение тяги к весу придает дрону большую маневренность и ускорение, но может затруднить управление, особенно новичкам. Даже малейшее прикосновение газа может «вывести дрон на орбиту, как ракету». Пилотирование и опыт играют важную роль в управлении этой силой. Даже если вы планируете управлять только медленным и стабильным оборудованием для аэрофотосъемки, стремитесь к соотношению выше 3:1 или даже 4:1. это не только обеспечивает лучший контроль, но и оставляет место для дополнительной полезной нагрузки.
Подключение бесколлекторного двигателя
Чтобы управлять бесколлекторным двигателем, вам понадобится ESC (электронный регулятор скорости). В отличие от коллекторных двигателей, которые имеют только два провода, бесколлекторные двигатели имеют три провода. Вы можете подключить эти провода к ESC в любом порядке. Чтобы изменить направление вращения, просто поменяйте местами два из трех проводов. Кроме того, можно изменить направление двигателя с помощью настроек программного обеспечения: https://oscarliang.com/change-motor-spin-direction-quadcopter/
Объяснение размера двигателя
Размер бесколлекторного двигателя у радиоуправляемых моделей обычно обозначается четырехзначным числом — AABB:
- «AA » означает ширину статора (или диаметр статора) в миллиметрах
- «BB» означает высоту статора в миллиметрах
Статор (stator) — это неподвижная часть двигателя, состоящая из «полюсов», обмотанных медными проводами (обмотками). Эти столбы состоят из нескольких слоев тонких металлических пластин, ламинированных вместе, со сверхтонким слоем изоляции между ними.
Основные компоненты двигателя
Статор двигателя (Motor stator) — неподвижная часть двигателя состоит из нескольких металлических катушек (windings). Проволока катушки покрыта эмалью для предотвращения короткого замыкания, так как она намотана в несколько петель. Когда электрический ток проходит через катушки статора, он создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами на роторе, создавая вращение.
Магниты (Permanent magnets) — постоянные магниты, создающие фиксированное магнитное поле. В двигателях FPV они прикрепляются к внутренней части корпуса двигателя с помощью эпоксидной смолы.
Корпус двигателя (Motor bell) — служит защитным кожухом двигателя для магнитов и обмоток. Как правило, изготавливают его из легких металлов, таких как алюминий. Некоторые корпуса сконструированы как миниатюрные вентиляторы, чтобы направлять больший поток воздуха на обмотки двигателя для дополнительного охлаждения двигателя во время вращения.
Вал двигателя (motor shaft) — соединенный с корпусом двигателя, вал является рабочим компонентом, который передает крутящий момент, создаваемый двигателем, на пропеллер.
Увеличение ширины или высоты статора увеличивает объем статора, размер постоянных магнитов, а также электромагнитных катушек статора. В результате общий крутящий момент двигателя увеличивается, что позволяет ему быстрее вращать более тяжелый винт и производить большую тягу (за счет потребления большего тока). Однако недостатком большего статора является то, что он тяжелее и менее чувствителен.
Сравнение более высоких и широких статоров
Более широкие двигатели имеют большую инерцию во время вращения, поскольку масса двигателя находится дальше от оси вращения, что требует больше энергии для изменения оборотов. Следовательно, более широкие и короткие двигатели обычно менее чувствительны, чем более узкие и более высокие двигатели, даже если они имеют одинаковый объем статора и генерируют одинаковый крутящий момент. Более широкие и короткие двигатели также имеют меньшие магниты на корпусе двигателя, что может снизить мощность двигателя.
Однако более широкие двигатели делают возможным лучшее охлаждение благодаря большей площади поверхности сверху и снизу. Температура имеет решающее значение для работы двигателя. Когда двигатель нагревается, его способность генерировать магнитный поток уменьшается, что влияет на эффективность и крутящий момент.
По сути, ширина и высота статора двигателя представляют собой баланс между чувствительностью и охлаждением. Конкретное решение зависит от вашего стиля полета. Например, для медленных кинематографических пролетов с тяжелой камерой GoPro [и другими тяжелыми подвесами] вам могут понадобиться двигатели с более широким статором для лучшего охлаждения. Для быстрых и чувствительных гоночных или фристайл-дронов лучше использовать более высокие статоры. Более широкие статоры также позволяют использовать более крупные подшипники, что повышает эффективность, плавность работы и долговечность.
Большие статоры не всегда лучше. Например, двигатели 2207 могут работать с типичными 5-дюймовыми пропеллерами, но использование гораздо более тяжелых двигателей 2506 с тем же KV может не дать заметных преимуществ, поскольку они будут создавать ту же тягу, используя те же пропеллеры, или даже обеспечивать худшую чувствительность из-за веса.
Чтобы улучшить производительность без увеличения веса, рассмотрите двигатели с более высоким KV. Однако двигатель 2506 в этом примере, скорее всего, будет работать лучше для 6-дюймовых пропеллеров, чем 2207 из-за повышенных требований к крутящему моменту.
Крутящий момент двигателя
Двигатели с высоким крутящим моментом обеспечивают быстрое изменение частоты вращения и более быстрое время отклика, что приводит к меньшей турбулентности и более быстрой реакции.
Крутящий момент двигателя зависит от нескольких факторов, в том числе:
- Размер статора (объем);
- Материалы: тип магнитов и качество медных обмоток;
- Конструкция двигателя: воздушный зазор, количество полюсов и т. д.
Поскольку в последние годы двигатели FPV имеют схожие характеристики и конструкции, размер статора является самым простым способом количественной оценки крутящего момента. Размер статора можно рассчитать по формуле объема цилиндра:
объем = Пи * радиус^2 * высота
Например, объем статора двигателя 2207 составляет:
Пи х (22/2)^2 х 7 = 2660,93
Чем больше объем статора, тем больший крутящий момент может создать двигатель. Сравнивая двигатель 2306 с объемом 2492,85, двигатель 2207 имеет больший крутящий момент.
При выборе двигателя сравните объем и вес статора двигателя. Более легкий двигатель с таким же объемом лучше других тех же факторов. Итак, почему бы не выбрать самый большой доступный двигатель? Ответ кроется в весе. Двигатели с большим объемом статора тяжелее, поэтому вопрос их выбора действительно зависит от направлений будущего применения.
Например, легким дронам не нужно много тяги, чтобы оставаться в воздухе, оставляя больше крутящего момента доступным. В сочетании с пропеллерами с меньшим шагом двигатели могут вращать их с меньшим крутящим моментом. В этом случае требования к крутящему моменту двигателя низкие, что позволяет использовать более мелкие и легкие двигатели, снижающие общий вес.
Единственный случай, когда менее мощный двигатель (с меньшим крутящим моментом) является преимуществом, когда плавность имеет приоритет над чувствительностью.
Двигатели с высоким крутящим моментом могут изменять частоту вращения так быстро, что полет на них может ощущаться резким и менее плавным. Они также могут создавать больше скачков напряжения и электрического шума в системе питания, потенциально влияя на производительность гироскопа и общую эффективность полета, если фильтрация шума не оптимальна и приводит к колебаниям.
Стабилизация по скорости (KV, constant velocity)
«KV» указывает количество оборотов в минуту [RPM, revolutions-per-minute, об/мин], которые делает двигатель, когда 1 В (один вольт) подается без какой-либо нагрузки (например, пропеллера), прикрепленного к двигателю. Например, двигатель мощностью 2300 КВ с питанием от батареи 3S LiPo (12,6 В) будет вращаться со скоростью около 28 980 об/мин без установленных пропеллеров (2300 x 12,6). KV обычно является приблизительной оценкой производителя двигателя. Когда пропеллер установлен на двигателе, обороты резко снижаются из-за сопротивления воздуха. Двигатели с более высоким KV будут пытаться вращать пропеллер быстрее, генерируя больше тяги и мощности (и потребляя для этого больше тока). Более крупные пропеллеры обычно сочетаются с двигателями с низким KV, в то время как более мелкие и легкие пропеллеры лучше работают с двигателями с высоким KV.
KV двигателя определяется количеством обмоток медной проволоки в статоре. Как правило, большее количество витков обмотки снижает KV двигателя, а меньшее количество витков увеличивает его. Магнитная сила магнитов также может влиять на значение KV, поскольку более сильные магниты увеличивают KV.
Если двигатель с высоким KV сочетается со слишком большим пропеллером, двигатель будет пытаться вращаться быстро, как с меньшим винтом, требуя большего крутящего момента. Эта потребность в увеличении крутящего момента приведет к большему потреблению тока и выделению тепла. Перегрев может привести к перегоранию двигателя, поскольку покрытие катушки может расплавиться и вызвать короткое замыкание внутри двигателя. Вот почему двигатель с более высоким KV, скорее всего, будет греться сильнее, чем двигатель с более низким KV того же размера.
KV также влияет на ограничение тока и напряжения двигателя. Двигатели с более высоким KV имеют более короткие обмотки и более низкое сопротивление, что снижает максимальное номинальное напряжение и увеличивает потребление тока двигателем и пропеллером. Однако на странице продукта двигателя будет указано допустимое напряжение и максимальный ток.
Ограничение «мощности двигателя» в Betaflight позволяет уменьшить сигнал двигателя и использовать батареи с более высоким напряжением (например, Аэро двигатели 4S на батарее 6S). Однако, хотя этот обходной путь может сработать, он потенциально может вывести из строя ваш ESC из-за двигателей с высоким KV.
Ограничивая мощность двигателя, вы устанавливаете ограничение на то, как долго MOSFET [ключ переключения тока на ESC, дословно: MDN-транзистор] остается включенным, но вы все равно подвергаете двигатель более высокому напряжению. Это с большей вероятностью вызовет проблемы, чем использование двигателя с более низким KV, рассчитанного на более высокое напряжение. Рекомендуется правильно выбирать KV двигателя в соответствии с напряжением батареи, которую вы планируете использовать.
Не знаете, как выбрать KV двигателz? Проверьте эту таблицу: https://oscarliang.com/table-prop-motor-lipo-weight/
KV и постоянный крутящий момент
KV двигателя напрямую не влияет на крутящий момент, но влияет на константу крутящего момента. Константа крутящего момента двигателя определяет, сколько тока требуется для создания определенного крутящего момента. KV не влияет на фактический генерируемый крутящий момент. На это влияют такие факторы, как сила магнита, воздушный зазор и сопротивление катушки. Двигатели с более высоким KV имеют более высокую константу крутящего момента, что означает, что им требуется больший ток для создания того же крутящего момента по сравнению с двигателем с более низким KV. Для создания такого же крутящего момента двигателю с более высоким KV требуется больше тока, что приводит к дополнительным потерям в ESC, батарее и проводах. Кроме того, больше тепла накапливается в двигателе из-за более высокого тока, создается меньший магнитный поток. В целом, двигатель с более высоким KV менее эффективен, если вы летите с той же скоростью на двигателе с более низким KV. Поэтому лучше не переусердствовать с KV, старайтесь быть умеренными. Это особенно важно при создании платформы для дальних полетов, это приоритетом является эффективность и продолжительность полета.
Крепление двигателя
Общие схемы крепления (расстояние между отверстиями) для двигателей 22xx, 23xx, 24xx — 16×19 мм и 16×16 мм. Современные 5-дюймовые рамы дронов FPV должны поддерживать оба варианта. В монтажных отверстиях этих двигателей используются винты M3. Используйте винты с длиной резьбы на 2 мм больше толщины луча; например, для лучей толщиной 5 мм используйте винты 7 мм, а для лучей 6 мм используйте винты 8 мм.
Полюса и магниты
Просматривая двигатели для своего дрона FPV, вы можете встретить такие характеристики, как «12n14p», напечатанные на коробке. Вот что означают эти цифры: число перед буквой «N «указывает количество электромагнитов (полюсов) в статоре, а число перед буквой» P» означает количество постоянных магнитов в корпусе.
Полюса и магниты в двигателе FPV-дрона
Двигатели разных размеров имеют разное количество полюсов; например, двигатели 22xx и 23xx обычно имеют 12 полюсов и 14 магнитов. Количество полюсов напрямую влияет на производительность двигателя. Если полюсов меньше, то в статоре можно разместить больше железа, что приведет к большей выходной мощности. Однако большее количество полюсов приводит к более равномерному распространению магнитного поля. Это, в свою очередь, обеспечивает более плавную работу двигателя с более точным контролем вращения корпуса.
Вкратце:
- Больше полюсов = более плавная работа.
- Меньше полюсов = увеличенная мощность.
Поскольку двигатели FPV-дронов обычно трехфазные, конфигурация полюсов должна быть кратной 3 (т. е. 9, 12, 15, 18 и т. д.). Это связано с наличием трех проводов, подключаемых к двигателю. Следовательно, число полюсов не меняется и не является критическим фактором при выборе двигателей, особенно для FPV-дронов. Но вы должны обратить внимание на число полюсов, так как вы должны ввести это число в Betaflight при включении фильтра RPM. Если вы не можете найти это число, вы можете просто посчитать, сколько магнитов находится в корпусе.
Обмотки двигателя
Количество медных обмоток или» витков » на полюсе статора определяет максимальный ток, который будет потреблять двигатель. В то же время толщина провода влияет на способность двигателя выдерживать ток до достижения точки перегрева.
Проще говоря, меньшее количество оборотов означает меньшее сопротивление, что приводит к более высокому KV. Однако это также приводит к уменьшению электромагнитного поля на статоре и, как следствие, к снижению крутящего момента. С другой стороны, когда в катушке больше витков, увеличение количества меди создает большее магнитное поле на полюсе статора, создавая больший крутящий момент. Но есть нюанс: более длинные провода и более высокое сопротивление вызывают снижение KV двигателя.
Итак, как производители решают эти проблемы, повышая мощность двигателей FPV-дронов? Ответ заключается в увеличении количества обмоток при использовании более толстых медных проводов. Этот гениальный подход эффективно снижает сопротивление обмотки, тем самым улучшая мощность без ущерба для эффективности и крутящего момента. Кроме того, двигатель с большим диаметром провода может выдерживать большой ток без перегорания. Однако важно отметить, что использование более толстых проводов и дополнительных обмоток приводит к увеличению веса двигателя. Кроме того, обмотка занимает больше физического пространства, что требует большего статора. Вот почему мы являемся свидетелями появления на рынке более крупных и тяжелых двигателей, что также объясняет их повышенную мощность.
Многожильные и одножильные обмотки
Что касается обмоток двигателя, существует два основных варианта: одножильный и многожильный. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки, что делает их подходящими для различных применений.
В одножильных обмотках используются более толстые провода, которые более эффективно отводят тепло, что делает их идеальными для двигателей с высоким напряжением, таких как 6s. Однако более толстые провода приводят к увеличению промежутков между ними, что ограничивает количество обмоток, которые можно намотать на статор.
С другой стороны, в многожильных обмотках один толстый провод заменяют тремя меньшими. Эти более тонкие провода не так эффективно проводят тепло и чаще рвутся.
Несмотря на эти ограничения, многожильные обмотки, как правило, имеют лучшие характеристики, чем одножильные. Более тонкие провода обеспечивают более плотную упаковку вокруг статора, с меньшими промежутками между проводами, что приводит к образованию более сильного магнитного поля. Как следствие, повышается мощность и эффективность.
Важно отметить, что аккуратность обмоток также играет важную роль, как с эстетической, так и с практической точки зрения. Неопрятные обмотки с многочисленными перекрещивающимися проводами приводят к менее эффективным магнитным полям, поскольку провода пересекают статор не перпендикулярно. Поэтому, при обмотке электродвигателей, заботьтесь об аккуратной намотке и правильно организовывайте укладку.
Подшипники
Возможно, в интернете не так много информации о подшипниках двигателя, но они играют решающую роль в производительности вашего FPV-дрона. Давайте подробнее рассмотрим основы работы подшипников двигателя. Размер подшипника определяется разницей между его внешним и внутренним диаметрами, а не самими диаметрами. Более широкие подшипники могут вместить более крупные шарики (или тела качения). В то время как более крупные шарики обеспечивают большую долговечность и ударопрочность, более мелкие шарики обеспечивают большую стабильность и плавность работы на высоких скоростях и оборотах.
Также, на рынке существуют двигатели с «керамическими подшипниками», в которых используются керамические шарики вместо стальных. Эти подшипники действительно работают более плавно, но они также с большей вероятностью выходят из строя.
Внутренний диаметр подшипника также определяет размер вала, который можно использовать. Подшипник размером 9 мм x 4 мм обеспечивает хороший баланс между долговечностью и плавностью хода. Самыми популярными являются подшипники японских брендов NSK, NMB и EZO. Хотя подшипники EZO часто называют лучшими, трудно оценить их превосходство над другими брендами. Кроме того, важно учитывать, что некоторые производители FPV-дронов используют пиратские подделки вместо оригинальных изделий.
Выбор правильного размера двигателя для дрона
Чтобы определить идеальный размер двигателя для дрона, следуйте следующей последовательности: размер рамы = > размер пропеллера = > размер двигателя. Определив размер рамы, вы можете подобрать подходящий размер двигателя. Размер рамы ограничивает размер пропеллера, а пропеллеры разного размера требуют разных оборотов двигателя для эффективного создания тяги — вот где в игру вступает KV двигателя (количество оборотов двигателя на один вольт). Кроме того, убедитесь, что двигатели создают достаточный крутящий момент для выбранного вами винта. Немаловажную роль здесь играет размер статора. В общем, больший размер статора и большая стабилизация по скорости приводят к увеличению потребляемого тока.
В таблице ниже приведены общие рекомендации. Это не жесткое правило, можно использовать двигатели немного большей или меньшей мощности, чем указано в таблице. Однако таблица служит хорошей отправной точкой. Эта таблица предполагает, что питание дрона происходит от 4S LiPo аккумуляторов, а размер рамы — это расстояние между диагонально расположенными двигателями. Более подробную таблицу с различными размерами пропеллеров и напряжением LiPo-аккумуляторов можно найти на сайте https://oscarliang.com/table-prop-motor-lipo-weight/
| Размер кадра | Размер опоры | Размер двигателя | КВ |
| 150 мм или меньше | 3 дюйма или меньше | 1105 -1306 или меньше | 3000КВ и выше |
| 180 мм | 4″ | 1806, 2204 | 2600КВ – 3000КВ |
| 210 мм | 5″ | 2205-2208, 2305-2306 | 2300КВ-2600КВ |
| 250 мм | 6″ | 2206-2208, 2306 | 2000КВ-2300КВ |
| 350 мм | 7″ | 2506-2508 | 1200КВ-1600КВ |
| 450 мм | 8 «, 9″, 10» или больше | 26XX и больше | 1200КВ и ниже |
Учет напряжения и тока
Понимание роли напряжения в выборе двигателя имеет решающее значение. При использовании более высокого напряжения двигатель будет пытаться вращаться быстрее, что приведет к увеличению потребляемого тока. Помните о силе тяги, создаваемой двигателями, и силе тока, в котором они нуждаются. Имея четкое понимание какую силу тока потребляет двигатель и пропеллер, можно уверенно выбрать правильный электронный контроллер скорости для дрона. Имейте в виду, что электронный контроллер скорости должен выдерживать максимальную силу тока, потребляемую двигателем, не превышая его предела, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу. Узнайте, как выбрать электронный контроллер скорости здесь: https://oscarliang.com/esc/
Как оценить производительность двигателя
После того, как определились с типоразмером двигателя, у вас все еще будет несколько опций к выбору. Чтобы определить лучший двигатель для ваших конкретных потребностей, примите во внимание следующие факторы:
- Тяга;
- Эффективность и потребляемый ток;
- Вес.
В конечном итоге выбор двигателя будет зависеть от предполагаемого применения, стиля полета и желаемых характеристик.
Тяга
Когда дело доходит до выбора двигателя для вашего FPV-дрона, на ум часто приходит тяга. Ведь это сила, которая приводит ваш дрон в движение в воздухе и позволяет ему выполнять впечатляющие маневры.
Хотя большая тяга означает более быстрое ускорение, крайне важно не забывать о других факторах, таких как потребляемый ток и эффективность. Выбор комбинации двигателя и пропеллера, требующей чрезмерной силы тока, может создать чрезмерную нагрузку на аккумуляторы, что потенциально может сократить срок их службы.
Если дрон потребляет значительное количество тока на высокой скорости, важно убедиться, что максимальная скорость разряда батареи будет достаточной. Хотя тяга, несомненно, является важным аспектом при выборе двигателя для FPV-дрона, следует взвесить и другие факторы, которые указаны ниже.
Вес двигателя
Вес двигателя — это фактор, который часто игнорируется при выборе двигателя для FPV-дрона. Тем не менее, он играет решающую роль, особенно для высокопроизводительных дронов, таких как гоночные дроны и фристайл-дроны. Двигатели устанавливаются по четырем углам рамы, что означает, что они оказывают значительное влияние на управление дроном. Более тяжелые двигатели увеличивают угловой момент инерции, что требует большего крутящего момента (а не только тяги) для изменения положения дрона.
В реальных полетных сценариях, когда дрон выполняет перевороты и наклоны, требуется время, чтобы набрать угловое ускорение, достичь нужного положения, а затем остановиться. Более тяжелым двигателям требуется больше времени для достижения требуемой угловой скорости и замедления, что приводит к ухудшению управления дроном. Это особенно важно, если ваш стиль полета включает в себя быстрое изменение направления, например, фристайл или гонки. Для тех, кто в основном летает по прямой, например, в кинематографии, вес двигателя может быть не таким важным.
Эффективность и потребляемый ток
Выбирая двигатель для FPV-дрона, важно учитывать эффективность двигателя, которая обычно рассчитывается путем деления тяги на мощность и измеряется в граммах на ватт (г/в). Чем больше число — тем больше эффективность двигателя.
Однако не анализируйте эффективность только на верхнем пределе. Проанализируйте эффективность во всем диапазоне изменения тяги, особенно в том диапазоне, на котором будете преимущественно лететь. Некоторые двигатели могут быть эффективными на более низких уровнях тяги, но теряют эффективность при потреблении большей силы тока, приближаясь к своим предельным значениям. Еще одна полезная метрика для измерения эффективности — «граммы на ампер» (тяга/ток). Как правило, с увеличением тяги возрастает и сила тока, необходимая для ее создания. Поэтому предпочтительны двигатели с высокой тягой и низким потреблением тока. Неэффективные двигатели могут создавать недостаточную тягу или потреблять чрезмерный ток.
Каждый двигатель по-разному реагирует на разные пропеллеры. Выбор правильного пропеллера имеет решающее значение для баланса тяги и эффективности. Имейте в виду, что эффективность и потребляемый ток также влияют на выбор батареи. Эффективный двигатель с высоким потреблением тока может быстро разряжать аккумулятор и вызывать падение напряжения, поэтому для оптимизации работы дрона важно найти правильный баланс.
Параметры производительности усовершенствованных двигателей
Не все характеристики двигателей дронов указываются производителями, и их можно обнаружить только путем более глубокого технического тестирования. Вот несколько дополнительных факторов, которые следует учитывать при выборе двигателя:
- Крутящий момент;
- Время реакции;
- Рабочая температура;
- Уровень вибрации.
Крутящий момент двигателя
Крутящий момент — это сила, отвечающая за вращение винта, определяющая, как быстро двигатель может увеличивать и уменьшать количество оборотов. Другими словами, он показывает, насколько легко двигатель может перемещать массу ротора, пропеллера и, что наиболее важно, воздуха.
Крутящий момент двигателя существенно влияет на производительность дрона, в частности на его точность и отклик во время полета. Двигатель с высоким крутящим моментом обеспечивает более быструю реакцию за счет более быстрого изменения оборотов. С увеличением крутящего момента уменьшается истирание винта.
Кроме того, высокий крутящий момент позволяет использовать более тяжелые пропеллеры (хотя и за счет большего потребления тока). Если на двигатель с низким крутящим моментом установлен слишком тяжелый пропеллер (вызывающий перегрузку), двигателю будет трудно генерировать достаточно силы для достижения нужных оборотов, что приведет к низкой эффективности и перегреву.
Однако двигатели с высоким крутящим моментом имеют один потенциальный недостаток: колебания / вибрации. Из-за быстрого изменения частоты вращения могут возникать ошибки в ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальном) контроллере полета, что приводит к колебаниям, которые трудно устранить даже с помощью настройки ПИД и фильтра. На крутящий момент напрямую влияет размер статора, обычно чем больше статор, тем больше крутящий момент. Другие факторы, которые могут увеличить крутящий момент:
- Более сильные магниты.
- Минимизация воздушного зазора между постоянными магнитами и статором, например, за счет использования дуговых магнитов.
- Более тонкие пластины статора.
Еще одним преимуществом двигателей с высоким крутящим моментом является их повышенная устойчивость к большему шагу и размеру пропеллера, что позволяет им лучше работать с более широким диапазоном пропеллеров. Однако использование более легких пропеллеров также может быть полезным, поскольку изменение оборотов происходит быстрее.
Время отклика
Время отклика двигателя тесно связано с крутящим моментом, при этом двигатели с высоким крутящим моментом обычно имеют более быстрое время отклика. Простой способ измерить время отклика-оценить, сколько времени требуется двигателю, чтобы достичь максимальных оборотов от нуля.
На время отклика в значительной степени влияет вес и шаг выбранного пропеллера. Имейте в виду, что атмосферные условия также могут играть роль. Например, на более низких высотах воздух плотнее, а это означает, что пропеллеру необходимо перемещать больше воздуха, чтобы создать тягу. На больших высотах пропеллеры будут вращаться быстрее и быстрее реагировать на изменения скорости, но общая тяга будет меньше из-за меньшего количества молекул воздуха, с которыми пропеллер может взаимодействовать.
Температура
Температура играет важную роль в производительности и долговечности бесколлекторных двигателей. Магниты, используемые в этих двигателях, быстро размагничиваются при высоких температурах, что снижает срок службы двигателя. Превышение мощности двигателей или чрезмерное использование максимальной скорости может привести к перегреву двигателей. Это, в свою очередь, может со временем снизить производительность двигателя и магнитов. Поэтому, конструкции двигателей, которые обеспечивают охлаждение, гарантируют больший срок эксплуатации.
Уровень вибрации
Вибрация двигателей может привести к нескольким нежелательным последствиям работы дрона. Двигатель с плохой балансировкой или низким качеством сборки может генерировать вибрацию, которая может повлиять на ваш ПИД-регулятор. Настройка дрона может усложняться, поскольку частота вибрации зависит от скорости. Двигатель с плохой балансировкой производит больше электрического шума, чем двигатель, работающий без сбоев. Этот электрический шум может влиять на работу гироскопа, снижая эффективность полета или качество видео, если система FPV питается непосредственно от аккумулятора дрона.
Чтобы уменьшить вибрацию, большинство полетных контроллеров поставляются с мягким креплением, таким как резиновые прокладки, которые обеспечивают значительные улучшения. Однако важно помнить, что поврежденные, изогнутые или несбалансированные пропеллеры также могут вызывать проблемные вибрации. Убедитесь, что вы регулярно проверяете пропеллеры и заменяете их по мере необходимости для поддержания оптимальной производительности.
Основные характеристики двигателей для FPV-дронов
Производительность двигателя — сложная и, порой, противоречивая тема, поскольку на нее может влиять много факторов. Даже при использовании одинаковых пропеллеров двигатели с одинаковым размером статора и стабилизацией скорости (KV) могут демонстрировать различную тягу, потребляемый ток и время отклика. Выбор конструкции и материалов может существенно повлиять на производительность.
В этом разделе мы рассмотрим различные особенности конструкции двигателя, которые способствуют повышению производительности и могут влиять на характеристики двигателя.
Вал двигателя
Вал двигателя является неотъемлемой частью бесколлекторного двигателя, поскольку он отвечает за надежное крепление пропеллера. Большинство бесколлекторных двигателей, предназначенных для 3″, 4″, 5 «и 6» пропеллеров, имеют валы M5 диаметром 5 мм.
Конструкция вала двигателя со временем эволюционировала, чтобы обеспечить лучшую производительность и долговечность:
Цельнолитые алюминиевые валы: раньше валы двигателей изготавливались из цельных алюминиевых стержней. Эти валы были менее жесткими и более склонными к изгибу, но легкими.
Полые титановые валы: чтобы решить проблемы сплошных алюминиевых валов, производители начали использовать полые титановые валы. Эти валы обеспечивали аналогичную экономию веса, но были значительно жестче и устойчивее к изгибам. Однако сверление отверстия в центре титанового вала увеличило производственные затраты.
Гибридные валы: некоторые производители двигателей недавно разработали гибридную конструкцию вала, вставив стальной стержень в полый титановый вал. Эта инновационная конструкция сочетает Жесткость и прочность стали с легкостью титана, обеспечивая превосходную производительность и долговечность.
Типы магнитов
Магниты, используемые в бесколлекторных двигателях, классифицируются по силе магнитного поля, например N50, N52, N54, где большие числа указывают на более сильное магнитное поле. Например, двигатель с магнитами N52SH будет работать лучше, чем с магнитами N50SH.
Более сильное магнитное поле теоретически позволяет двигателю генерировать тягу более эффективно, что приводит к большему крутящему моменту и более быстрому времени отклика. Однако двигатель с более сильным магнитным полем обычно имеет заметное сопротивление (щелчок) при вращении руками. Это указывает на менее равномерное магнитное поле и может привести к менее плавной работе двигателя, что плохо. При вращении руками некоторых двигателей можно почувствовать «щелчок», что является отражением насколько сильными являются магниты. В двигателях с более сильными магнитами «щелчок» более ощутим.
Также важно отметить, что магниты могут потерять свою магнитную силу при высоких температурах, что может повлиять на работу двигателя. Чтобы решить эту проблему, производители двигателей часто используют магниты N52H, которые выдерживают высокие температуры. В некоторых двигателях даже используются магниты N52SH, которые, как считается, способны выдерживать более высокие температуры.
Наконец, нередко магниты расшатываются от падений или из-за вибрации. Чтобы решить эту проблему, достаточно приклеить магниты на место в корпусе двигателя, используя клей Loctite 438.
Изогнутые магниты
Используя изогнутые магниты, можно приблизить магниты к статору, создавая меньший и более стабильный воздушный зазор. Это, в свою очередь, обеспечивает лучшую производительность двигателей.
В отличие от стандартных магнитов, у изогнутых магнитов самая сильная магнитная точка каждого полюса не находится на поверхности магнита. Эпицентр поля полюса на внешней стороне кривой будет находиться под поверхностью магнита, а эпицентр полюса на внутренней кривой фактически будет над поверхностью, что еще больше сближает магнитные поля постоянных и электромагнитов. Во время тестирования мини-дронов с разной толщиной магнитов, производители обнаружили, что меньшая толщина магнита (и, соответственно, более слабое магнитное поле), а не только его форма, может дать заметную разницу в производительности.
Воздушный зазор
«Воздушный зазор» в двигателе-это расстояние между постоянными магнитами и статором. Магнитная сила нелинейно уменьшается с расстоянием, поэтому уменьшение зазора между ними значительно повышает мощность двигателя. Меньший воздушный зазор не только делает двигатель более мощным, но и улучшает крутящий момент и отклик.
Недостатком увеличения воздушного зазора является увеличение потребляемого тока и снижение эффективности. Кроме того, есть влияние на долговечность: если корпус двигателя подвергается какому-либо удару и смещается, магнит может столкнуться со статором и в конечном итоге сломаться.
Ламинация статора
Ламинация — это толщина отдельных листов металла, вставленных в статор двигателя. Более тонкая ламинация позволяет укладывать больше слоев статорных пластин на ту же высоту статора двигателя. В целом, более тонкие пластины статора лучше влияют на производительность двигателя. Они помогают уменьшить явление, известное как вихревой ток [Eddy current], который генерирует тепло в переменной магнитной среде. Более тонкие слои означают, что меньше энергии тратится на генерацию вихревых токов, что приводит к более эффективной и мощной работе двигателей.
Ламинация статора двигателя
Стопорное кольцо / винт
Для закрепления вала двигателя FPV-дронов используют один из трех методов: стопорные кольца осевого монтажа, стопорные кольца радиального монтажа, или стопорные винты. У каждого метода есть свой набор преимуществ и недостатков, поэтому трудно определить, какой из них является лучшим. Стопорное кольцо и винт на нижней части вала двигателя В общем, винты легче снимать, и они более удобны в обслуживании, чем стопорные кольца. Однако винты можно чрезмерно затянуть, что приведет к блокировке вала и затруднению вращения двигателя. С другой стороны, стопорные кольца могут вылетать во время полета, что приведет к отрыву корпуса двигателя и падению. Винты тоже не защищают от этой проблемы, хотя и кажутся более надежным вариантом.
Алюминиевый сплав
Металл, из которого изготовлен корпус и основание двигателя, определяет долговечность двигателя. В двигателях дронов FPV используются два наиболее распространенных типа алюминиевых сплавов: 7075 и 6082. цифры обозначают различные серии марок и химический состав алюминиевых сплавов. Короче говоря, 6082 имеет большую пластичность и лучше поддается формованию, в то время как 7075 более жесткий и лучше выдерживает удары. 6082 использовался еще до 2016/2017 годов, но 7075 является наиболее распространенным в современных двигателях и считается более ударопрочным.
Конструкция корпуса типа «Unibell»
Существует две конструкции основания двигателя: более традиционная «закрытый низ» и более современная «открытый низ». У обоих дизайнов есть свои плюсы и минусы.
Двигатель с голым дном (открытое основание двигателя)
Мотор с закрытым низом
Конструкция «закрытого дна «имеет более прочное основание, однако» открытое дно» имеет тенденцию быть легче из-за удаления избытка материала, экономия веса составляет около 2 граммов.
У двигателей с закрытым низом меньше вероятность попадания грязи внутрь корпуса. Но у двигателей с открытым низом грязь легче вычищается.
В двигателе с открытым низом можно четко увидеть, насколько глубоко вкручены винты, и уменьшается вероятность замыкания обмотки двигателя, если винты слишком длинные. (Это часто случается с новичками, использующими двигатели с закрытым низом.)
В двигатели с открытым низом легко попадает грязь, но ее также легче чистить Однако закрытый низ обеспечивает лучший доступ для ремонта проводов в случае падения дрона и растяжения проводов.
Конструкция кольца магнитного потока
Кольцо магнитного потока представляет собой круглое стальное кольцо внутри корпуса, которое содержит магниты. Корпус обычно изготавливается из алюминия, а кольцо магнитного потока — из стали, поскольку оно должно реагировать на линии магнитного поля.
Новейшая конструкция кольца магнитного потока имеет нестандартную, не круглую форму, что помогает направить обратно в двигатель больше магнитных силовых линий и повысить крутящий момент.
Технология PoPo
Система » Pop on / Pop off» — это вал двигателя с подпружиненным подшипником для быстрой установки и снятия пропеллеров. Вот более подробный обзор и список продуктов, поддерживающих эту технологию.
Другие функции
- Контактные площадки для пайки.
- Интеграция электронного контроллера скорости.
- Конструкция с охлаждением.
Производители двигателей постоянно экспериментируют с различными конструкциями и уровнями интеграции оборудования, что привело к прогрессу в охлаждении и даже интеграции электронного контроллера скорости внутри двигателя. Есть мнение, что контактные пластины для пайки на двигателе могут быть полезны, так как они позволяют использовать провод меньшего диаметра там, где не требуется высокая мощность, а значит, сэкономят вес. Кроме того, их можно будет легко отремонтировать, если провода оторвутся, что невозможно сделать в двигателе типичной конструкции.
Двигатели CW и CCW
Вы редко увидите бесколлекторные двигатели, обозначенные как CW (по часовой стрелке) и CCW (против часовой стрелки). Это не указание направления вращения двигателя. Бесколлекторные двигатели могут вращаться в любом направлении. Эта отметка определяет направление резьбы болта двигателя. Это сделано для того, чтобы во время вращения двигателя крутящий момент от пропеллера толкал гайку двигателя к затяжке, а не к ослаблению. Это предотвращает расшатывание и отпадение опор во время полета. Это означает, что вам понадобится по две гайки для 4-х двигателей при стандартной схеме вращения Betaflight.
Передний левый: CW
Передний правый: CCW
Задний левый: CCW
Задний правый: CW
Чтобы проверить, установлен ли двигатель с правильной резьбой, нужно просто держать опорную гайку на валу, и начать рукой поворачивать двигатель в направлении, в котором он должен вращаться. Если гайка затягивается, то все правильно 🙂
Предпочтительно иметь одинаковую резьбу на всех двигателях, чтобы не запутаться в разных гайках. Если необходимо заменить опорную гайку, найти гайку с противоположной резьбой (или гайку с левой резьбой) в строительном магазине может стать настоящей головной болью. В настоящее время используются контргайки (с резиновым покрытием внутри), они относительно хорошо держатся, когда их затягивают, и их трудно открутить.