Вибір електричних двигунів для дрона має великий вплив на його льотні характеристики. Невеликі відмінності в конструкції двигуна мають великий вплив на вагу, швидкість реагування та загальну продуктивність багатошарового дрону.

Перш ніж вибирати двигуни, вам слід мати хоча б приблизне уявлення про розмір та вагу дрона, який ви хочете побудувати.

Деякі з найважливіших міркувань:

• Вага двигуна
• Потужність (тяга)
• Ефективність (г/ват)
• Крутний момент та реакція (зміни обертів)

Робота двигуна дрона

Ключовою концепцією роботи як щіткових, так і безщіткових двигунів постійного струму є електромагнетизм. В обох конструкціях електромагніти використовуються як засіб перетворення електричної енергії в кінетичну. Коли електромагніт заряджається, він створює магнітне поле. Це тимчасове магнітне поле взаємодіє з магнітним полем постійних магнітів у двигуні. Поєднання сил тяжіння та відштовхування електромагнітів або постійних магнітів змушує вал двигуна обертатися.

Щіткові та безщіткові двигуни:

Для дронів використовується два основних типи двигунів: безщіткові та щіткові. Зазвичай ми використовуємо безщіткові двигуни на більших моделях (таких як гоночні дрони, кінематографічні дрони), а щіткові — на мікродронах та іграшкових дронах. У цьому посібнику буде докладніше розказано про безщіткові двигуни, оскільки вони є найпоширенішими двигунами для дронів та мультироторів.

Щіткові двигуни:

Внутрішня робота щіткового двигуна подібна до роботи безщіткового двигуна дрона . У щіткових двигунах статор створює постійне магнітне поле, яке оточує ротор. Ротор щіткового двигуна - це електромагніт, на який впливає навколишній статор. Пара щіток, підключених до джерела постійного струму, контактує з колектором біля основи ротора. Колекторне кільце розділене, тому його обертання періодично змінюватиме напрямок струму, що протікає через ротор, оскільки його обертання призводить до зміни полярності колектора. Чергування полюсів колекторного кільця призводить до безперебійного обертання ротора. Ефективність системи значно знижується через збільшення теплоізоляції внутрішньої механіки; також можливо змінити напрямок обертання двигуна, інвертуючи полярність вхідного постійного струму.

Безщіткові двигуни:

Як випливає з назви, безщіткові двигуни дронів не мають щіток. Безщіткові двигуни можна ефективно розділити на два окремі компоненти: ротор і статор. Статор – це центральна частина, до якої кріпиться ротор. Статор складається з масиву радіальних електромагнітів, які по черзі вмикаються та вимикаються, створюючи тимчасове магнітне поле, коли струм протікає через обмотки. Ротор містить набір постійних магнітів, розміщених поблизу напівпостійних електромагнітів статора. Хоча безщітковий двигун живиться від постійного струму, його не можна керувати безпосередньо. Натомість безщітковий двигун жорстко підключений до керуючої електроніки, що фактично усуває необхідність у щітці або колекторі. Термін служби безщіткового двигуна чудовий, оскільки немає фізичного контакту між ротором і статором.

Вибір розмірів та ідентифікація двигуна

Розмір безщіткового двигуна визначається чотиризначним кодом, що детально описує розмір статора в міліметрах, наприклад: 2206

Перші дві цифри серії визначають діаметр статора, у цьому випадку 22 мм. Останні дві цифри описують висоту статора, останні дві в цій серії - "06", тому статорний блок має висоту 6 мм.

Розмір щіткового двигуна можна визначити за допомогою простішої двозначної системи, яка чітко визначає діаметр і висоту зовнішньої коробки в міліметрах. Приклад:

6×15, перше число «6» – це вимірювання діаметра банки, а «15» – висота банки.

Монтажні схеми та розмір різьби

Тип кріплення та розмір різьби залежать від типу двигуна та його застосування. Тип кріплення визначає розташування різьбових отворів для болтів на основі двигуна. Кожне число описує діаметр кола, центр якого знаходиться на валу двигуна. Зазвичай чотири отвори розміщуються вздовж кола, якщо задано два числа, то на кожному колі розміщується два отвори. Наприклад, 2205 з кроком різьби 16×19 матиме 4 різьбові отвори розміру M3, рівномірно розподілені по колу кола 16 мм та кола 19 мм. Розміри різьбового вала визначаються індексом різьби ISO, який описує зовнішній діаметр вала.

220X-240X:

16x19 мм – найпоширеніший монтажний шаблон, проте 16×16 стає все більш поширеним. Різьбові отвори мають розмір M3. Діаметр різьбового стрижня D = M5.

Співвідношення тяги до ваги

Тяга є одним з головних факторів, які слід враховувати під час вибору двигуна. Тяга двигуна зазвичай вимірюється в грамах і змінюється залежно від того, як швидко обертається двигун і пропелер. Перш ніж мультикоптер зможе почати розганятися, потрібна тяга, щоб подолати опір, а також силу тяжіння.

Наприклад, якщо загальна вага вашого дрона становить 1 кг, загальна тяга, що створюється двигуном при 100% відкритті газу, повинна становити 2 кг або 500 г на двигун для квадрокоптера, а для гоночних дронів співвідношення тяги до ваги набагато більше, ніж у звичайних багатороторних дронів. Для гоночних дронів рекомендоване співвідношення тяги до ваги становить 5:1.

Якщо ваш квадрокоптер споживає багато струму на високій швидкості розряду, максимальний рівень розряду вашого акумулятора повинен бути в змозі його підтримувати. Акумулятор також повинен мати можливість забезпечити максимальний час польоту та одночасно живити всі компоненти.

Рейтинги КВ:

Константа швидкості (кВ) визначає кількість обертів, які двигун може зробити за одну хвилину без навантаження (без гвинта) та при постійному струмі 1 вольт. Простіше кажучи, кВ – це представлення швидкості обертання двигуна. кВ двигуна визначається напруженістю магнітного поля на статорі та кількістю витків у котушці. Двигуни з нижчим кВ найкраще підходять для ефективного приводу важких гвинтів. Двигун з високим кВ оптимізований для легких гвинтів.

Наприклад, якщо ви оберете двигун на 1000 кВ та використовуватимете 12-вольтовий літій-іонний акумулятор для живлення, загальна кількість обертів за хвилину становитиме 1000*12=12000. Після встановлення гвинта в двигун, кількість обертів за хвилину зменшується через опір повітря. Двигун з вищим значенням kV обертає гвинт швидше та може споживати більше струму. Тому ми схильні бачити, як більші ротори використовуються з двигунами з низьким значенням kV, тоді як менші, легші лопаті краще підходять для двигунів з високим значенням kV. Якщо ми поєднаємо більший гвинт з двигуном з високим значенням kV, для швидшого обертання знадобиться більший крутний момент. Генеруючи необхідний крутний момент, він споживатиме більше струму та вироблятиме занадто багато тепла. Такий перегрів також може пошкодити ваш двигун.

Ефективність та споживання струму:

ККД двигуна зазвичай розраховується шляхом ділення тяги на потужність при 100% відкритті дроселя, виміряну в грамах на ват (г/в). Чим вище це число, тим ефективніший двигун.

Важливо враховувати ефективність у всьому діапазоні дросельної заслінки, а не лише на верхніх обертах. Деякі двигуни можуть ефективно працювати на низьких обертах, але можуть втрачати ефективність, підвищуючи струм у міру досягнення своєї межі.

Ще один хороший спосіб оцінити ефективність – використовувати «грами на ампер» (коефіцієнт посилення/струм). Загалом, чим більша тяга, що генерується, тим більший струм споживається для її створення, тому перевага надається двигунам з високою тягою та низьким струмом. Неефективні двигуни генерують занадто мало тяги або споживають занадто багато струму. Кожен з них по-різному реагує на різні гвинти, тому ретельний вибір гвинтів є ключем до балансу між тягою та ефективністю. Ефективність та струм впливають на вибір акумулятора. Ефективний двигун з великими струмами може перевантажувати акумулятор та спричиняти відключення електроенергії.

Таблиця рекомендацій щодо вибору:

Розширений вибір двигуна:

Більшість характеристик двигунів квадрокоптера не згадуються виробниками та можуть бути знайдені лише шляхом додаткового тестування та аналізу.

• Крутний момент
• Навантаження
• Час відгуку
• Розмір гвинта та балансування гвинта
• Температура
• Вібрація та баланс
• Рухи двигуна
• Матеріал для виготовлення двигуна