Главная » В деталях » Как выбрать правильный электромотор для квадрокоптера

Как выбрать правильный электромотор для квадрокоптера

Этот небольшой гайд поможет понять основные принципы работы электромотора и вы сможете выбрать правильную модель для квадрокоптера, с нужными вам характеристиками, если вы собираете его своими руками.

Если для вас все это в новинку и вы первый раз строите свой квад, то вам нужно понимать связь между тягой мотора и весом летательного аппарата. Это важно при постройке квадрокоптера любого размера. Хотя есть вы собираете себе мини квадрокоптер, то можете сразу переходить к разделу «Размер мотора».

Общий вес летательного аппарата

Во-первых, необходимо знать общий вес летательного аппарата. Не переживайте, если в первый  раз вы точную цифру посчитать не сможете. Но он точно должен включать следующее: рама, полетный контроллер, плата управления, моторы, лопасти, электронный регулятор скорости, батарея и загрузка типа HD камеры. Более подробно про этот список я уже рассказывал в статье.



Размер рамы

Во-вторых надо определиться с размером рамы, на которой вы и будете собирать собственно сам квадрокоптер. Зная размер рамы можно будет уже знать и размер лопастей.

Необходимая тяга

После решения вопросов с весом и размером рамы, можно будет хотя бы грубо определить необходимую тягу, которую должны давать моторы с заданными лопастями, чтобы поднять летательный аппарат в воздух.

Соотношение тяги и веса

Главное правило — моторы должны обеспечить как минимум двойную тягу относительно общего веса квадрокоптера. Это необходимый минимум, с которым аппарат сможет взлететь и им можно будет нормально управлять. Если тяги будет мало, то управление будет с заметными лагами, реагировать на команды он будет крайне вяло, а в некоторых случаях вообще не сможет взлететь.

Например, если вы построили квадрокоптер, у которого общий вес 1 кг, то общая тяга моторов при максимальной нагрузке должна составлять 2 кг. или 500 гр. (для 4-х моторного аппарата) на каждый мотор. Но было бы не плохо иметь все таки побольше тяги, лишней она не будет.

Для гоночного дрона соотношение тяги и веса должно быть на много выше в сторону тяги. Вполне нормально для скоростных мини квадриков иметь соотношение 8:1 и даже 10:1. При таком раскладе аппарат будет очень маневренным, скоростным, динамичным. Но тут надо учитывать тот факт, что при большом уровне тяги повышается сложность управления и новичку с таким дроном совладать будет крайне сложно, т.к. даже еле заметное движение стика будет давать сильный толчок, так можно и в космос квадрокоптер запустить :D.

Если вы собираетесь просто летать в свое удовольствие, то я бы рекомендовал пытаться собрать аппарат с соотношение тяга:вес — 3:1 или 4:1. Это даст вам хороший контроль в управлении и можно будет в будущем расширить загрузку, повесить камеру посерьезнее или батарею с большей емкостью. Но если вы строите гоночный квадр, то тут ни чем ограничиваться не стоит, делайте его с таким соотношением, с которым вы сможете справиться.

Размер мотора

Размер электромотора для радиоуправляемой техники обозначается четырьмя символами — AABB. AA — это ширина статора, BB — высота статора или его диаметр. Обозначать принято в миллиметрах (мм). Тут есть небольшая закономерность: чем выше статор, тем больше мотор выдает мощности на больших оборотах, а чем он шире, тем больше тяги на низких оборотах.

Что такое статор бесколлекторного мотора — статор это стационарная, неподвижная часть мотора в середине, которая обернута в медную обмотку. Обмотка состоит из множества слоев тонкого металла, которые спрессованы вместе и каждый имеет тонкий изоляционный слой.

Размер лопастей, которые подойдут для того или иного электромотора определяется размером вала. К примеру, моторы для лопастей с размером от 10 до 15 см имеют вал М5. В современных моторах вал объединен с кожухом мотора (как на картинке).

Константа скорости (KV)

Константа скорости или постоянная скорость (KV) это очень важный параметр при выборе бесколлекторного мотора для квадрокоптера. Она обозначает теоретическое увеличение оборотов вала мотора без нагрузки при увеличение напряжения на 1 Вольт. Например, если запитать мотор 2300 KV батареей 3S на 12,6В, то вал буде крутиться со скоростью 28980 оборотов в минуту (2300 х 12,6), без лопастей. Но это приблизительная величина и она всегда указана на маркировке мотора.

При установке лопастей на мотор, скорость его вращения, конечно же сократиться, из-за сопротивления воздуха. Чем выше KV, тем быстрее этот электромотор может раскручивать лопасть, но вот низкий KV означает, что у мотора большая тяга. Так что обычно большие лопасти мы ставим на моторы с низким KV, а короткие на большие KV.

Значение (KV) константы скорости определяется количеством медной обмотки на статоре и мощностью магнитов. Если в общих чертах, то здесь обратная зависимость между количеством обмотки и показателем KV.

Если вы попытаетесь установить на электромотор с высоким KV большие лопасти, то мотор будет пытаться раскрутить их как можно быстрее, будет сжирать много энергии, генерирую при этом излишнее количество тепла. В итоге мотор можно легко спалить.

Что такое N и P?

Вы наверное видели на маркировке мотора нечто подобное — «12N14P». Число перед N означает количество электромагнитов в статоре, а число перед P — количество постоянных магнитов в моторе. И большинство электромоторов, которые вы найдете для квадрокоптера будет иметь как раз такое обозначение — 12N14P. Но моторы с низким KV могут иметь несколько меньшее количество магнитов, для более эффективного набора тяги. Но сильно на этот показатель обращать внимания не нужно при выборе мотора, просто знайте, что это обозначает, вдруг вас кто нибудь спросит.

Размер рамы => Размер лопастей => Размер мотора

Зная размер рамы, мы можем примерно определиться с размером электромотора, который нам нужен. А все это потому, что размер рамы ограничивает размер лопастей, а для каждого размера лопасти и нужно подбирать мотор (скорость вращение, тяга, см. выше). И вот тут как раз вступает значение KV. Вы должны быть уверены, что у мотора будет достаточно тяги, чтобы крутить лопасть, а способность крутить лопасть зависит от размера статора. Короче, больше статор, больше KV, больше потребление тока.

В таблице ниже можно посмотреть зависимость размера рамы, размера лопастей, размера мотора и значения его KV.

Размер рамы Размер лопасти Размер мотора Значение KV
150 мм или меньше 3″ или меньше 1105 -1306 или меньше 3000KV или выше
180 мм 4″ 1806 2600KV – 3000KV
210 мм 5″ 2204-2208, 2306 2300KV-2600KV
250 мм 6″ 2204-2208, 2306 2000KV-2300KV
350 мм 7″ 2208 1600KV
450 мм 8″, 9″, 10″ или больше 2212 или больше 1000KV или ниже

Вольтаж и потребление тока

Так же важно понимать, что вольтаж оказывает большое влияние на выбор как мотора так и лопастей. При большом вольтаже мотор будет стараться крутиться сильнее и от сюда будет потреблять больше энергии.

Читаем технические характеристики мотора

При выборе электромотора для квадрокоптера обязательно проверяйте его технические характеристики. Учитывайте все то, что мы обговорили выше. Вот, к примеру, модель Micro Brushless Outrunner  18-11 2000KV.

  • KV — 2000
  • Вес — 10 гр.
  • Макс.потребление тока — 5,5 А
  • Сопротивление — 0
  • Макс. вольтаж — 7 В
  • Мощность — 0
  • Вал — 2 мм
  • Длина — 22 мм
  • Диаметр — 18 сс
  • Общая длина — 30 мм
  • Рекомендуемые лопасти — 7″ х 5″
  • Рекомендуемая мощность — 7,4 В
  • Тяга — 130 гр. / 5000 об/мин

Основные факторы, которые влияют на эксплуатационные характеристики мотора

Предположим, вы уже определились с размером мотора и уже подобрали несколько моделей, из которых и выбираете. Чтобы выбрать лучший мотор, нужно учитывать следующие факторы:

  • Максимальная тяга
  • Потребление тока
  • Эффективность
  • Вес

Подумайте, что вы хотите в итоге получить и уже на основе этого делайте окончательный выбор.

Тяга и мощность

Первое, на что смотрят большинство покупателей электромоторов — это тяга. Чем больше тяга, тем больше ускорение, но тут надо еще смотреть на эффективность. Возможно эта тяга будет для вас избыточна, а мощные мотор очень прожорлив и ваша батарея в мгновение ока будет высаживаться в ноль. Если ваш квадрокоптер поглощает большое количество тока при большом ускорении, то ваша батарея должна быть способна выдавать такие показатели, а иначе вам обеспечен перегрев батареи и она еще может вздуться из-за этого.

Но при выборе мотора нельзя ограничиваться только мощностью и тягой. Есть и другие важные параметры.

Вес мотора

Вес мотора очень часто игнорируют неопытные сборщики квадрокоптеров, но это немаловажные фактор. Т.к. моторы устанавливаются по углам рамы, то соответственно они оказывают большое влияние на отзывчивость дрона при управлении. Чем тяжелее мотор тем больше момент инерции квадрокоптера и тем сложнее изменяется угловая скорость в полете. На практике, такие тяжелые моторы при выполнении переворотов потребуют больше времени для набора необходимой угловой скорости, т.е. вы нажимаете на кнопку, а ваш дрон на доли секунды задумывается, пытаясь набрать обороты и выполнить маневр. Тяжелые моторы должны обладать большей тягой.

У самого мотора есть свой момент инерции. И опять, чем тяжелее мотор, тем больше ему самому нужно тяги и времени, чтобы раскрутиться до необходимых оборотов. Все это в итоге выливается в тормознутость аппарата, в его валкость, плохую отзывчивость и не точное управление. Для акробатических полетов и гонок, вес мотора играет одну из ключевых ролей.

Эффективность

Эффективность мотора обычно измеряется в граммах на ват (тяга/мощность). Важно оценивать эффективность на всем диапазоне газа. Некоторые моторы эффективны при низком газе и теряют эффективность, потребляя излишне много энергии при своих максимальных оборотах. Но неэффективный мотор не только сильно съедает и так ограниченную энергию в полете, тем самым сокращая его продолжительность, он также способствует просадкам напряжения. Неэффективный мотор может либо не выдавать необходимой тяги или потреблять излишний ток.

Дополнительные факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики мотора

Не все характеристики той или иной модели электромотора производитель официально публикует, и кроме как на собственных тестах их нигде найти не удастся.

  • Тяга
  • Время отклика
  • Температура
  • Балансировка и вибрация

Тяга — это на сколько быстро мотор может увеличивать/изменять скорость вращения. Это влияет на точность управления и отзывчивость квадрокоптера во время полета. Большая тяга дает мгновенный отклик, т.к. скорость вращения меняется так же мгновенно. Большая тяга, так же позволяет ставить лопасти побольше (если рама конечно позволяет), правда в ущерб батарее. Если же ставить тяжелые лопасти на мотор с низкой тягой, то он вообще не будет способен раскрутить их до нужного значения. Но у высокотяговых моторов есть и свой недостаток — это вибрация, которую очень сложно устранить. Из-за повышенной реакции на команды возможны излишние ошибку в управлении и рыскание квадрокоптера

Время отклика — зависит напрямую от тяги, чем ее больше тем лучше отклик. Для оценки времени отклика можно посмотреть на сколько быстро мотор наберет обороты с 0 до максимального значения. И еще время отклика сильно зависит от лопастей.

Температура — магниты в мотора быстрее размагничиваются при высоких температурах, отсюда падение характеристик летательного аппарата. Чем холоднее мотор, тем он дольше проживет.

Вибрация — Если мотор плохо сбалансирован или плохого качества сборки, это приведет к повышенной вибрации во время полета. Поврежденные или несбалансированные лопасти так же ведут к излишней вибрации.

Некоторые другие особенности моторов для квадрокоптеров

Так много переменных, которые могут повлиять на итоговые характеристики мотора. К примеру, моторы с одним и тем же размером статора, одинаковым KV имеют разную тягу и потребление тока при одинаковых лопастях. И все это из-за различий в конструкции (разные магниты, обмотка, корпус, вал и т.п.). Следующие особенности могут неким образом повлиять на эксплуатационные качества электромотора и даже могут изменить его характеристики.

Полый вал

Это позволяет использовать более прочные и тяжелые металлы или наоборот понижает вес мотора.

Типы магнитов

Магниты, которые устанавливаются в бесколлекторные электромоторы обозначаются как N52, N54 и т.д. Чем выше число, тем больше сила магнитного поля и тем больше тяга и лучше отзывчивость мотора.

Толщина статора

Чем тоньше, тем лучше, тем больше мощности, меньше генерируется тепла и лучше эффективность.

Обмотка/Толщина проволоки

Толщина проволоки в обмотке вокруг статора играет большую роль. Толстая обмотка обладает меньшим сопротивлением, что позволяет пропускать больше тока. А тонкая обмотка приводит к меньшей пропускной способности и большему сопротивлению. Однако толстая обмотка требует больше места, что означает меньшее количество витков и от сюда меньше противоэлектродвижущая сила (оборотная ЭДС). А это в свою очередь напрямую влияет на константу скорости (KV). Чем больше витков проволоки в обмотке, тем больше оборотная ЭДС при текущей скорости вращения и от сюда меньше KV.

Воздушный зазор

Это расстояние между постоянными магнитами и статором. Магнитное поле уменьшается нелинейно с расстоянием и сократив его можно заметно увеличить мощность мотора. Но меньший зазор дает не только больше мощности и энергоэффективности, но и улучшает тягу и отзывчивость.

Дугообразные магниты

Электромоторы с дугообразными магнитами лучше, их можно расположить ближе к статору и они сплошные, без пропусков.

Сечение проволоки/количество витков в обмотке

Обмотка в моторе определяет его мощность и потребление тока. Меньше обмотка = меньше сопротивление = больше тока может пройти = больше частота оборотов. Вот почему моторы с большим значением KV имеют обмотку в статоре меньше.

Но у этого есть и обратная сторона. При меньшей обмотке у нас будет меньше сила магнитного поля и от сюда меньше тяги. И еще, чем больше проходит тока через обмотку, тем больше она нагревается и тем меньше общая эффективность.

Чтобы найти компромисс производители пошли путем увеличения обмотки за счет использования толстой медной проволоки. Это уменьшит сопротивление в обмотке, увеличит мощность без ущерба в скорости и тяге. А чем больше сечение проволоки, тем больше может пройти тока без чрезмерного нагрева.

Но вот чем толще проволока и больше обмотка, тем тяжелее сам мотор. Кроме того, обмотка занимает в корпусе мотора уже много места. И вот поэтому мощные моторы должны быть большими.

Крепление колокола мотора

Для крепление колокола мотора на месте используется несколько типов фиксаторов: C-clip, E-clip и болт. У каждого типа есть свои плюсы и минусы и точно сказать какой из них лучший я затрудняюсь.

Вообще, крепление на болту более удобно для последующего обслуживания мотора, колокол гораздо легче снять и потом снова одеть. Но тут есть риск перетянуть болт и заклинить его в валу, что может привести к затруднению при вращении. Бывали случаи когда болт самораскручивался и колокол улетал. Но и C-clip тоже страдает от подобных проблем самопроизвольного расцепления.

Закрытый и оголенный низ мотора

Классический корпус электромотора предполагает полностью закрытую конструкцию. Но сейчас замечена тенденция на открытый низ. И тут и там есть свои положительные и отрицательные моменты.

Закрытый (слева) и открытый (справа) низ электромотора

Конструкция с закрытым низом предполагает большую прочность, а вот открытый низ — меньше веса, легкость. Открытый мотор легче чистить от грязи, в отличии от закрытого, в котором грязь может набиваться со временем, мешая ему работать.

С открытым мотором лучше видно как сильно затягивать болты при его креплении на раму. А то бывали случаи когда их перетягивали или болты были слишком длинными и ими повреждали обмотку.

Прямое или обратное вращение

Маркировка у моторов может иметь значения CW и CCW, что означает Clockwise (По часовой стрелке — Прямое), Counter Clockwise (Против часовой стрелки — Обратно). Но это совсем не означает, что мотор может вращаться исключительно в этом направлении. По факту, как ты его подключишь к питанию, так он и будет вращаться. Различие у них не в этом, а в резьбе вала.

В квадрокоптере должно быть 2 мотора с прямым вращением и 2 с обратным, так чтобы гайки на валах все время находились в затянутом состоянии.

Чтобы точно определить правильная ли у вас резьба, т.е. правильный ли вы ставите мотор на то или иное место, приложите гайку к валу и начните вращать мотор в ту сторону, в которую он по вашей задумке должен вращаться. Если гайка закручивается, значит все у вас правильно.

2 комментария

  1. Валерий

    Статья большая, но нигде я не увидел конкретно какая же мощность в ваттах или ток в амперах у двигателей при максимальной нагрузке. Это недоработка статьи.

  2. Владимир

    Какой мотор и контроллер самые дешевые по соотношению цена/мощность (тяговитость)?

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.