Выбор электрических моторов для дрона сильно влияет на его лётные характеристики. Небольшие различия в конструкции мотора оказывают большое влияние на вес мультикоптера, отзывчивость и общую производительность.

Перед выбором моторов у вас должно быть хотя бы приблизительное представление о размере и весе дрона, который вы хотите собрать

Некоторые из самых важных критериев:

• Вес мотора
• Мощность (тяга)
• Эффективность (г/Вт)
• Крутящий момент и отзывчивость (изменения RPM)

Принцип работы мотора дрона

Ключевая концепция, лежащая в основе работы как коллекторных, так и бесколлекторных моторов постоянного тока, — это электромагнетизм. В обеих конструкциях электромагниты используются для преобразования электрической энергии в кинетическую. Когда электромагнит под напряжением, он создаёт магнитное поле. Это временное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов в моторе. Сочетание сил притяжения и отталкивания электромагнитов и постоянных магнитов заставляет вал мотора вращаться.

Коллекторные и бесколлекторные моторы:

Для дронов применяются два основных типа моторов: бесколлекторные и коллекторные. Обычно бесколлекторные моторы используют на крупных моделях (например, гоночных и киносъёмочных дронах), а коллекторные — на микродронах и игрушечных дронах. В этом руководстве мы подробнее рассмотрим бесколлекторные моторы, поскольку они наиболее широко применяются в дронах и мультироторных системах.

Коллекторные моторы:

Внутреннее устройство коллекторного мотора противоположно устройству бесколлекторного мотора дрона. В коллекторных моторах статор создаёт постоянное магнитное поле, окружающее ротор. Ротор коллекторного мотора представляет собой электромагнит, на который воздействует окружающий статор. Пара щёток, подключённых к источнику постоянного тока, контактирует с коллектором у основания ротора. Коллекторное кольцо разделено, поэтому при его вращении направление тока, протекающего через ротор, периодически меняется, так как вращение приводит к смене полярности коллектора. Чередование полюсов коллекторного кольца обеспечивает непрерывное вращение ротора. Эффективность системы значительно снижается из-за увеличения тепловых потерь во внутренней механике; также можно изменить направление вращения мотора, поменяв полярность входного питания постоянного тока.

Бесколлекторные моторы:

Как следует из названия, бесколлекторные моторы для дронов не имеют щёток. Бесколлекторные моторы можно условно разделить на два отдельных компонента: ротор и статор. Статор — это центральная часть, на которой закреплён ротор. Статор состоит из набора радиальных электромагнитов, которые поочерёдно включаются и выключаются, создавая временное магнитное поле при протекании тока по обмоткам. Ротор содержит набор постоянных магнитов, расположенных рядом с полупостоянными электромагнитами статора. Хотя бесколлекторный мотор питается постоянным током, он не может управляться напрямую. Вместо этого бесколлекторный мотор жёстко подключён к электронике управления, что фактически устраняет необходимость в щётках или коллекторе. Срок службы бесколлекторного мотора отличный, поскольку между ротором и статором нет физического контакта

Размеры и маркировка моторов

Размер бесколлекторного мотора определяется четырёхзначным кодом, указывающим размер статора в миллиметрах, например: 2206

Первые две цифры серии определяют диаметр статора, в данном случае 22 мм. Последние две цифры описывают высоту статора: в этой серии последние две цифры — "06", значит высота статора составляет 6 мм.

Размер коллекторного мотора можно определить по более простой двухзначной системе, которая чётко задаёт диаметр и высоту внешнего корпуса в миллиметрах. Пример:

6×15: первое число "6" — это измерение диаметра корпуса, а "15" — высота корпуса.

Схемы крепления и размер резьбы

Тип крепления и размер резьбы зависят от типа мотора и его применения. Тип крепления определяет расположение резьбовых отверстий на основании мотора. Каждое число описывает диаметр окружности, центр которой совпадает с валом мотора. Обычно по окружности располагаются четыре отверстия; если указаны два числа, на каждую окружность приходится по два отверстия. Например, у мотора 2205 с креплением 16×19 будет 4 резьбовых отверстия размера M3, равномерно распределённых по окружности диаметром 16 мм и по окружности диаметром 19 мм. Размеры резьбового вала задаются индексом резьбы ISO, который описывает наружный диаметр вала.

220X-240X:

16x19 мм — наиболее распространённая схема крепления, однако 16×16 становится всё более популярной. Резьбовые отверстия имеют размер M3. Диаметр резьбового вала D = M5.

Соотношение тяги к весу

Тяга — один из главных факторов при выборе мотора. Тяга мотора обычно измеряется в граммах и зависит от того, как быстро вращаются мотор и пропеллер. Прежде чем мультикоптер начнёт ускоряться, необходима тяга, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и силу тяжести.

Например, если общий вес вашего дрона составляет 1 кг, общая тяга, создаваемая моторами при 100% газа, должна быть 2 кг, то есть 500 г на мотор для квадрокоптера; для гоночных дронов соотношение тяги к весу значительно выше, чем у обычного мультиротора. Для гоночных дронов рекомендуемое соотношение тяги к весу — 5:1

Если ваш квадрокоптер потребляет большой ток при высоком газе, максимальная скорость разряда аккумулятора должна это обеспечивать. Аккумулятор также должен иметь ёмкость, достаточную для максимального времени полёта и одновременного питания всех компонентов.

Показатели KV:

Постоянная скорости (kV) определяет количество оборотов, которое мотор совершает за одну минуту без нагрузки (без пропеллера) при постоянном токе в 1 вольт. Проще говоря, kV отражает скорость вращения мотора. kV мотора определяется напряжённостью магнитного поля в статоре и числом витков в обмотке. Моторы с меньшим kV лучше всего подходят для эффективного привода тяжёлых пропеллеров. Моторы с высоким kV оптимизированы для лёгких пропеллеров.

Например, если вы выберете мотор 1000KV и используете для питания литиевый аккумулятор 12V, общие обороты составят 1000*12=12000. После установки пропеллера на мотор обороты снижаются из-за сопротивления воздуха. Мотор с более высоким KV быстрее вращает пропеллер и может потреблять больший ток. Поэтому мы обычно видим более крупные пропеллеры в сочетании с моторами с низким KV, тогда как меньшие и более лёгкие лопасти лучше подходят моторам с высоким KV. Если сочетать крупный пропеллер с мотором с высоким KV, для более быстрого вращения потребуется больший крутящий момент. Создавая необходимый крутящий момент, мотор будет потреблять больше тока и выделять слишком много тепла. Такой перегрев также может повредить ваш мотор.

Эффективность и потребляемый ток:

Эффективность мотора обычно вычисляется делением тяги на мощность при 100% газа и измеряется в граммах на ватт (г/Вт). Чем выше это число, тем эффективнее мотор.

Важно учитывать эффективность во всём диапазоне газа, а не только на максимальном значении. Некоторые моторы эффективно работают на низких оборотах, но теряют эффективность, потребляя всё больший ток по мере приближения к своему пределу.

Ещё один хороший способ оценить эффективность — использовать «граммы на ампер» (тяга/ток). В целом, чем больше создаваемая тяга, тем больше тока потребляется для её создания, поэтому предпочтительны моторы с высокой тягой и низким током. Неэффективные моторы создают слишком малую тягу или потребляют слишком большой ток. Каждый мотор по-разному реагирует на разные пропеллеры, поэтому тщательный подбор пропеллеров — ключ к балансу тяги и эффективности. Эффективность и ток влияют на выбор аккумулятора. Эффективный мотор с большими токами может чрезмерно нагружать аккумулятор и приводить к просадкам питания.

Таблица подбора:

Продвинутый подбор мотора:

Большинство характеристик моторов для квадрокоптеров не указываются производителями, и их можно выяснить только путём дополнительных испытаний и анализа.

• Крутящий момент
• Нагрузка
• Время отклика
• Размер пропеллера и балансировка пропеллера
• Температура
• Вибрация и баланс
• Движения мотора
• Материал корпуса мотора