Как выбрать двигатели для FPV-дрона

Давайте погрузимся в увлекательный мир двигателей для FPV-дронов! В этом подробном руководстве мы рассмотрим все тонкости конструкции двигателя, особенности дизайна и факторы, которые могут повлиять на производительность и эффективность двигателя. Ясное понимание возможных вариантов дизайна поможет вам выбрать идеальный двигатель для сборки вашего следующего дрона.

Рекомендации: топ двигателей для FPV дронов

Понятие «лучший двигатель для FPV-дрона» является субъективным, поскольку каждый из них работает по-разному. В конечном счете, ваш выбор будет зависеть от ваших потребностей, стиля полета и бюджета. Если использовать квадрокоптеры для фристайла, кинематографических съемок, иногда для гонок и агрессивных полетов, то лучше отдать предпочтение универсальным моторам широкого назначения.

Что касается значения KV (число оборотов в минуту на один вольт напряжения), то двигатели 1600-2000 KV рассчитаны на аккумулятор 6S, в то время как 2300-2800 KV подходят для 4S. Варианты с более высоким значением KV, как правило, более агрессивны и потребляют больше энергии, в то время как варианты с более низким KV консервативны и эффективны. Ваш выбор будет зависеть от вашего стиля пилотирования и целей полета.

Ниже приведены лучшие, на наш взгляд, двигатели для 5-дюймовых FPV-дронов в 2023 году.

T-Motor Velox Veloce V2207.5 V2 (Бюджетный мотор с высоким качеством)

 

Вполне доступное предложение от заслуженного бренда T-Motor с современным дизайном и функциями: магниты N52, титановый вал. Для дрона с батареей 6S лучше взять версию с 1750KV. Также доступны варианты 1950KV (6S) и 2550KV (4S).

RCinPower Wasp Major (Лучшая производительность)

На сегодняшний день это один из самых лучших универсальных моторов для 5-дюймовых дронов. Он предлагает выдающиеся параметры как в плане мощности, так и энергоэффективности. Это идеальный выбор для гонок и полетов вольным стилем.

EMAX ECO II 2207 (Самый дешевый вариант для приобретения)

Эти двигатели предлагают сильные магниты N52 и надежную сборку по привлекательной цене. Хотя вы можете найти двигатели за меньшие деньги, они редко отличаются хорошим качеством.

По слухам, Emax продает двигатели ECO II себе в убыток, просто пытаясь соответствовать самым дешевым двигателям на рынке. Это выглядит правдоподобно, поскольку этот мотор стоит всего 16 долларов! Мы не можем это доказать, но Emax ECO II за многие годы зарекомендовал себя как один из лучших бюджетных моторов для FPV-дронов.

Возможно, это не лучший двигатель с точки зрения чистой производительности, но вы не можете просить большего, поскольку это, вероятно, самые дешевые двигатели, доступные в настоящее время. Это отличный выбор, если вы только начинаете или хотите собрать базовую модель. Это также чрезвычайно эффективный двигатель, если для вас является важным время полета.

Производитель предлагает версии 1700KV и 1900KV для батарей 6S, 2400KV для 4S. Доступна также версия размера 2306, но лучше приобрести вариант 2207, который является более мощным и отзывчивым при той же цене.

iFlight Xing2 2207 (Проверенный временем)

Ультрасовременные двигатели для FPV-дронов прямо сейчас. Дизайн Unibell (цельный раструб), титановый вал, дуговые магниты с прорезями для более быстрого отклика, сильные магниты N52 и защитное уплотнительное кольцо, помогающее дольше сохранять плавность хода подшипников.

Серия двигателей Xing для FPV-дронов от iFlight была одной из лучших, выпущенных в 2019 году. А в 2022 году они выпустили новую Xing2, которая еще лучше. Помимо характерного и уникального изогнутого цельного раструба, обеспечивающего сверхпрочность, двигатели Xing2 2306 и 2207 также могут похвастаться множеством замечательных особенностей. Например, цельный вал из титанового сплава, крепкие подшипники 9х4х4, одножильная обмотка и демпфирующее кольцо между раструбом и подшипником, повышающее долговечность.

Xing2 – это мощный двигатель с высоким крутящим моментом, который обеспечивает быструю реакцию в полете. По цене 21 доллар за единицу вы получаете высокопроизводительный двигатель высшего уровня, который обычно продается в ценовом диапазоне около 30 долларов, что делает приобретение чрезвычайно выгодным.

Линейка двигателей iFlight Xing2 предлагает множество вариантов KV в зависимости от напряжения аккумулятора (4S или 6S), пропеллеров и стилей полета. Для 2207 есть 1855KV (6S) и 2755KV (4S), для 2306 есть 1755KV (6S) и 2555KV (4S).

С чего начать?

Если вы новичок на FPV-сцене, мы настоятельно рекомендуем вам сперва ознакомиться с нашим руководством «Как приступить к полетам на FPV-дроне».

Прежде чем выбирать двигатель, важно иметь хотя бы приблизительное представление о размере и весе дрона, который вы планируете собрать. Мы расскажем вам о процессе определения размера двигателя на основе дрона, который вы планируете собрать. Но если вы сосредоточены на создании 5-дюймового FPV-дрона, смело переходите к разделу «Размер двигателя».

Некоторые из наиболее важных факторов, которые следует иметь в виду, включают:

• Вес двигателя.
• Мощность (тяга).
• Эффективность (грамм на ватт).
• Крутящий момент и отклик (изменение числа оборотов в минуты).

Обратите внимание. Собрали в отдельной статье все аббревиатуры и технические сокращения для FPV индустрии, полный справочник пилота дрона.

Бесщеточный или щеточный двигатель?

В мире радиоуправляемых дронов существует два основных типа двигателей: бесщеточные и щеточные. Как правило, мы предпочитаем бесщеточные двигатели, поскольку они более мощные и долговечные. А щеточные двигатели часто используются в игрушечных дронах, поскольку они дешевле в изготовлении. В этом руководстве мы сосредоточимся исключительно на бесщеточных двигателях, которые идеально подходят для большинства FPV-дронов.

Расчет веса дрона и размера рамы

При расчете общего веса вашего FPV-дрона обязательно учитывайте все компоненты: раму, полетный контроллер (FC), регулятор скорости (ESC), двигатели, пропеллеры, радиоприемник (RX), видеопередатчик (VTX), антенну, литий-полимерный аккумулятор, экшн-камеру GoPro и так далее. Вес не обязательно должен быть точным на 100%, и все же тщательные подсчеты необходимы. Лучше переоценить вес и иметь дополнительную мощность, чем недобрать мощность и испытывать проблемы во время взлета.

Определив размер рамы, вы сможете установить максимально допустимый размер пропеллера. Более подробную информацию о пропеллерах вы сможете найти в специальном обзоре «Как выбрать лучшие пропеллеры для вашего квадрокоптера».

Требования к тяге мотора

Чтобы рассчитать минимальную тягу, необходимую для вашей комбинации двигателя и пропеллера, вам нужно знать примерный общий вес вашего дрона. Общее проверенное правило состоит в том, что максимальная тяга, создаваемая всеми моторами, должна как минимум вдвое превышать общий вес квадрокоптера. Недостаточная тяга может привести к плохому отклику управления и трудностям при подъеме.

Например, если ваш дрон весит один килограмм, общая тяга всех двигателей при 100-процентном газе должна быть не менее двух килограммов. То есть каждый из четырех моторов квадрокоптера должен производить тягу в 500 граммов. Разумеется, иметь дополнительную тягу, сверх необходимой, никогда не помешает.

Для гоночных дронов соотношение тяга/вес (или мощность/вес) должно быть значительно больше, чем в примере выше. Соотношения 10:1 или даже 14:1 здесь не редкость. Для фристайла или акробатического режима можно рекомендовать соотношение не менее 5:1.

Более высокое соотношение тяги и веса дает квадрокоптеру повышенную маневренность и лучшее ускорение, но таким дроном сложнее управлять, особенно начинающему пилоту. Даже незначительное касание рычага газа может мгновенно «унести дрон в космос, как ракету». Чтобы управлять такой мощью, необходимо иметь соответствующие навыки и опыт пилотирования.

Даже если вы собираетесь летать медленно и заниматься аэрофотосъемкой в плавном режиме, стремитесь достичь соотношения тяга/вес выше, чем 3:1 или даже чем 4:1. Это не только обеспечит лучшее управление, но также позволит нести на борту дополнительные грузы.

Подключение бесщеточного мотора

Чтобы управлять бесщеточным двигателем, вам понадобится электронный контроллер скорости (ESC). В отличие от щеточных двигателей, которые имеют только два провода, бесщеточные моторы 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, направление вращения двигателя можно изменить с помощью настроек программного обеспечения.

Размер двигателя

Размер бесщеточных моторов для беспилотников обычно указывается 4-значным номером – AABB:

• AA относится к ширине статора (диаметру статора).
• BB означает высоту статора. Оба параметра указаны в миллиметрах.

Статор – это неподвижная часть двигателя, состоящая из «полюсов», обернутых медными проводами (обмотками). Эти полюса включают несколько слоев тонких металлических пластин, склеенных вместе, с ультратонким изоляционным слоем между ними.

Давайте разберем ключевые компоненты двигателя:

• Статор двигателя: Неподвижная часть двигателя состоит из множества металлических катушек. Провод катушки покрыт эмалью для предотвращения короткого замыкания, так как он намотан в несколько витков. Когда электрический ток проходит через катушки статора, он генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами на роторе, в результате создается вращение.
• Магниты: Постоянные магниты создают фиксированное магнитное поле. В двигателях FPV-дронов они крепятся к внутренней части раструба двигателя с помощью эпоксидной смолы.
• Раструб двигателя: Служит защитным кожухом двигателя для магнитов и обмоток. Как правило, изготавливаемые из легких металлов, таких как алюминий, некоторые раструбы сконструированы как миниатюрные вентиляторы, чтобы направлять больше воздуха на обмотки двигателя для дополнительного охлаждения при вращении двигателя.
• Вал двигателя: Соединенный с раструбом мотора, вал является рабочим компонентом двигателя, который передает на пропеллер крутящий момент, создаваемый двигателем.

Увеличение ширины или высоты статора увеличивает объем статора, размер постоянных магнитов, а также электромагнитных катушек статора. В результате увеличивается общий крутящий момент двигателя, что позволяет ему быстрее вращать более тяжелый пропеллер и создавать большую тягу (за счет потребления большего тока). Однако недостатком более крупного статора является то, что он тяжелее по весу и менее отзывчив.

Сравнение более высоких и более широких статоров

Более широкие двигатели обладают большей инерцией при вращении, потому что масса двигателя находится дальше от оси вращения и для изменения числа оборотов требуется больше энергии. Следовательно, более широкие и короткие двигатели обычно менее отзывчивы, чем более узкие и высокие двигатели, даже если они имеют одинаковый объем статора и генерируют одинаковый крутящий момент. Более широкие и короткие двигатели также имеют магниты меньшего размера на раструбе двигателя, что может снизить мощность двигателя.

Однако более широкие двигатели предлагают лучшее охлаждение из-за большей площади поверхности сверху и снизу. Температура имеет решающее значение для производительности мотора. Когда двигатель нагревается, его способность генерировать магнитный поток снижается, а это влияет на эффективность и создание крутящего момента.

По сути, ширина и высота статора двигателя представляют собой баланс между чувствительностью и охлаждением. Решение зависит от вашего стиля полета. Например, для медленных кинематографических дронов с тяжелой камерой GoPro вам могут понадобиться моторы с более широким статором для лучшего охлаждения. В быстрых и отзывчивых дронах для гонок или фристайла предпочтительнее использовать более высокие статоры.

Более широкие статоры также позволяют использовать более крупные подшипники, что может увеличить эффективность, плавность хода и долговечность.

Крупные статоры не всегда лучше. Например, двигатели 2207 могут работать со стандартными 5-дюймовыми пропеллерами, но использование гораздо более тяжелых двигателей 2506 с тем же значением KV может не дать заметных преимуществ. Они будут создавать такую ​​​​же тягу с теми же пропеллерами или даже обеспечивать худшую реакцию из-за повышенного веса. Чтобы улучшить производительность без увеличения веса, рассмотрите двигатели с более высоким значением KV. Впрочем, двигатель 2506 в этом примере, вероятно, будет работать лучше с 6-дюймовыми пропеллерами, чем 2207, из-за повышенных требований к крутящему моменту.

Крутящий момент

Двигатели с высоким крутящим моментом обеспечивают быстрое изменение оборотов и меньшее время отклика, что приводит к меньшим вибрациям пропеллера и более быстрому отклику.

Крутящий момент двигателя определяют несколько факторов, в том числе:

• размер статора (объем);
• материалы (тип магнитов и качество медной обмотки);
• конструкция мотора (воздушный зазор, число полюсов и т.д.).

Поскольку FPV-двигатели в последние годы имеют схожие характеристики и конструкции, размер статора является самым простым способом вычислить крутящий момент.

Размер статора можно рассчитать по формуле объема цилиндра:

Например, для мотора 2207 объем статора составит

Чем больше объем статора, тем больший крутящий момент может сгенерировать двигатель. По сравнению с мотором 2306 (его объем составляет 2492,85) у 2207 крутящий момент будет больше.

При выборе мотора сравните объем статора и вес. Более легкие двигатели с тем же самым объемом более предпочтительны при прочих равных условиях. Так почему бы не выбрать самый большой доступный двигатель? Ответ кроется в весе. Двигатели с большим объемом статора тяжелее, поэтому ваш выбор зависит от сферы применения.

Например, легкие дроны не требуют высокой подачи газа, чтобы удержаться в воздухе. В сочетании с пропеллерами с меньшим шагом моторы могут вращать их с меньшим крутящим моментом. В этом случае требования к крутящему моменту невелики, что позволяет использовать более компактные и легкие двигатели и в целом снизить вес дрона.

Менее мощный двигатель (с меньшим крутящим моментом) предпочтителен в одном случае – когда плавность важнее, чем отзывчивость. Моторы с высоким крутящим моментом могут менять скорость вращения так быстро, что это вызывает толчки и снижает плавность. Они также создают больше скачков напряжения и электрических помех в системе питания, потенциально влияющих на работу гироскопа и летные качества в целом. А если фильтрация помех не функционирует должным образом, это ведет к возникновению механических вибраций.

KV

Значение KV указывает на число оборотов в минуту (RPM), когда к двигателю подведено напряжение 1 В (один вольт) без какой-либо весовой нагрузки (то есть без пропеллера). Например, мотор 2300KV, который питается от 3-секционной литий-полимерной батареи (12,6 В), будет вращаться со скоростью приблизительно 28980 RPM без установленного пропеллера (2300 x 12,6). Как правило, KV является грубой оценкой, указанной производителем двигателя.

Когда на мотор установлен пропеллер, скорость вращения (число оборотов) сильно уменьшается из-за сопротивления воздуха. Моторы с более высоким значением KV будут стараться вращать пропеллер быстрее, генерируя больше тяги и мощности (при этом возрастает потребляемый ток). Крупные пропеллеры обычно идут в паре с двигателями с низким KV, в то время как небольшие, легкие пропеллеры работают лучше с моторами, у которых высокое значение KV.

KV двигателя определяется количеством медных проводов в обмотке статора. Как правило, большее количество обмотки снижает KV, а меньшее количество обмотки, напротив, увеличивает KV. Сила магнитов также влияет на значение KV – более сильные магниты увеличивают KV.

Если мотор с высоким KV работает в паре с чрезмерно большим пропеллером, он будет пытаться вращаться быстро, как если бы это был маленький пропеллер, а это требует большего крутящего момента. Этот возросший крутящий момент приведет к увеличению потребляемого тока и повышенному выделению тепла. Перегрев может вызвать выход мотора из строя, поскольку покрытие обмотки может расплавиться и вызвать короткое замыкание внутри двигателя. Вот почему двигатели с высоким KV нагреваются при работе быстрее, чем двигатели того же размера с более низким KV.

KV также влияет на ограничения тока и напряжения. Моторы с высоким KV имеют более короткую обмотку и более низкое сопротивление, уменьшая максимальное напряжение и увеличивая потребление тока для мотора в паре с пропеллером. Кстати, максимальные значения тока и напряжения для конкретной модели мотора указаны в спецификациях продукта.

Ограничение мощности двигателя (Motor Output) в Betaflight позволяет вам уменьшить сигнал двигателя и использовать батареи с более высоким напряжением (например, двигатели для 4S на батарее 6S). И хотя этот обходной путь может сработать, он не совсем безопасен, поскольку может вывести из строя контроллер скорости при работе с моторами с высоким KV. Ограничивая мощность двигателя, вы устанавливаете ограничение на то, как долго МОП-транзистор остается включенным, но вы все равно подвергаете двигатель более высокому напряжению. Это менее вероятно при использовании двигателя с меньшим KV, который рассчитан на более высокое напряжение. Рекомендуется выбирать двигатели с правильным KV для напряжения, которое вы планируете использовать.

KV против константы момента

KV двигателя не влияет прямо на крутящий момент, но воздействует на постоянную (константу) крутящего момента. Константа крутящего момента двигателя определяет, сколько тока требуется для создания определенного крутящего момента. KV не влияет на фактически генерируемый крутящий момент. Такие факторы, как сила магнита, воздушный зазор и сопротивление катушки, оказывают гораздо большее влияние на создание крутящего момента.

Двигатели с более высоким KV имеют более высокую константу момента, а это означает, что им требуется больше тока для создания того же крутящего момента по сравнению с двигателем с более низким KV. Для генерации того же крутящего момента двигателю с более высоким KV требуется больше тока, что приведет к дополнительным потерям в контроллере скорости, аккумуляторе и проводах. Вдобавок, чем больше тепла накапливается в двигателе из-за повышенного тока, тем меньше создается магнитного потока. В целом, двигатель с более высоким KV менее эффективен, если вы летите с той же скоростью, что и на двигателе с более низким KV.

Поэтому с КВ лучше не перебарщивать. Старайтесь соблюдать умеренность. Это особенно важно при создании системы для дальних полетов, в которой приоритет отдается эффективности и времени полета.

Крепление двигателя к раме дрона

Общепринятые шаблоны монтажа (расстояние между отверстиями) для двигателей 22xx, 23xx, 24xx: 16×19 мм и 16×16 мм. Рамы современных 5-дюймовых FPV-дронов должны поддерживать оба шаблона. В монтажных отверстиях этих двигателей используются винты M3. Используйте винты с длиной резьбы на 2 мм больше, чем толщина лучей; например, для 5-миллиметровых лучей используйте винты на 7 мм, а для лучей на 6 мм используйте винты на 8 мм.

Полюса и магниты

Выбирая мотор для вашего FPV-дрона, вы может встретить такие спецификации на коробке, как 12N14P. Вот что означают эти цифры: число перед буквой N указывает на количество электромагнитов (полюсов) в статоре, а число перед буквой P указывает на количество постоянных магнитов в раструбе.

Моторы разного размера имеют различное количество полюсов. К примеру, двигатели 22XX и 23XX обычно имеют 12 полюсов (электромагнитов) и 14 постоянных магнитов.

Число полюсов напрямую влияет на производительность двигателя. Если полюсов меньше, в статор можно включить больше содержания железа, что приведет к более высокой выходной мощности. Однако повышенное число полюсов приводит к более равномерному распределению магнитного поля. Это, в свою очередь, обеспечивает более плавную работу двигателя с более точным контролем вращения.

Если вкратце, то:

• Больше полюсов = Больше плавности.
• Меньше полюсов = Увеличение мощности.

Поскольку двигатели для FPV-дронов обычно 3-фазные, конфигурация полюсов обычно кратна числу 3 (т.е. 9, 15, 18 и т.д.). Это связано с наличием трех проводов, подключаемых к мотору. Следовательно, количество полюсов не так просто изменить, и это не является критическим фактором при выборе двигателей, особенно для FPV-дронов. Но вы должны обратить внимание на число полюсов, так как это число нужно ввести в Betaflight при включении фильтра RPM (оборотов в минуту). Если вы не можете найти это число, вы можете просто посчитать, сколько магнитов в раструбе.

Обмотка двигателя

Количество медных обмоток или «витков» на полюсе статора определяет максимальный ток, потребляемый двигателем. В то же время толщина провода влияет на способность двигателя выдерживать ток, прежде чем будет достигнута точка перегрева.

Проще говоря, меньшее количество витков означает меньшее сопротивление, что приводит к более высокому KV. Однако это также приводит к уменьшению электромагнитного поля на статоре и, следовательно, к снижению крутящего момента.

С другой стороны, когда в катушке больше витков, увеличенный объем меди создает усиленное магнитное поле на полюсе статора, генерируя больший крутящий момент. Но есть загвоздка – более длинные провода и более высокое сопротивление приводят к снижению значения KV.

Итак, как производители решают эти проблемы, когда увеличивают мощность двигателей для FPV-дронов? Ответ заключается в увеличении количества обмоток при использовании более толстых медных проводов. Этот оригинальный подход эффективно снижает сопротивление обмотки, тем самым повышая мощность без ущерба для эффективности и крутящего момента. Более того, двигатель с проводами большего диаметра может выдерживать большой ток без перегорания.

Однако важно отметить, что использование более толстых проводов и дополнительных обмоток приводит к увеличению веса двигателя. Вдобавок, обмотка занимает больше физического пространства, что требует более крупного статора. Вот почему сейчас на рынке появляются более крупные и тяжелые моторы, что также объясняет их возросшую мощность.

Многожильная обмотка против одножильной

Что касается обмоток двигателя, то существует две основных разновидности: одножильная и многожильная. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому подходит для разных условий применения.

В одножильной обмотке используются более толстые провода, которые могут более эффективно справляться с теплом, что делает этот вариант идеальным для работы с более высоким напряжением, например, 6S. Однако толстые провода приводят к увеличению зазоров между ними, ограничивая количество обмоток, которыми можно обернуть статор.

С другой стороны, многожильные обмотки заменяют один более толстый провод несколькими проводами меньшего диаметра. Эти более тонкие провода не так эффективно отводят тепло и более подвержены физическому обрыву.

Несмотря на эти ограничения, одножильные обмотки могут предложить превосходную производительность по сравнению с одножильными обмотками благодаря более плотной упаковке вокруг статора с меньшими зазорами между проводами. В итоге генерируется более сильное магнитное поле, а это может привести к повышению мощности и эффективности.

Однако многожильным проводам, как правило, сложнее добиться такой же аккуратности, как одножильным проводам. Поскольку между многожильными катушками больше слоев изоляции, это приводит к увеличению воздушных зазоров между проводами, что может сгладить преимущества, упомянутые ранее.

Важно отметить, что аккуратность обмоток играет жизненно важную роль как с эстетической, так и с электрической точки зрения. Небрежные обмотки с многочисленными пересечениями проводов генерируют менее эффективные магнитные поля, поскольку провода не пересекают статор перпендикулярно. Поэтому, оценивая обмотки двигателя, не упускайте из виду важность аккуратной и хорошо выполненной обмотки.

Наконец, многожильный провод может перегреваться быстрее, чем одножильный, что влияет на общую мощность и КПД двигателя. В целом, как показывает практика, лучшим выбором все же является одножильная намотка.

Подшипники

Подшипники двигателей – не часто обсуждаемая тема, поскольку информации в интернете недостаточно. Однако они имеют важное значение для производительности FPV-дрона. Давайте пристальнее рассмотрим основные сведения о моторных подшипниках.

Размер подшипника определяется разницей между его внутренним и внешним диаметрами, а не самими диаметрами. Более широкие подшипники могут вмещать в себя шарики большего размера. В то время как шарики большего размера обеспечивают большую долговечность и устойчивость к ударам, шарики меньшего размера обеспечивают большую стабильность и плавность хода на высоких скоростях и оборотах в минуту.

Некоторые моторы позиционируются как оснащенные «керамическими подшипниками», в которых используются керамические шарики вместо стальных. И хотя эти подшипники действительно более плавные, они более подвержены разрушению.

Внутренний диаметр подшипника также определяет размер вала, который может быть использован. Подшипники 9×4 мм обеспечивают хороший баланс долговечности и плавности.

Популярные подшипники, используемые в двигателях для FPV-дронов, производятся японскими брендами, такими как NSK, NMB и EZO. Хотя подшипники EZO рекламируются как самые лучшие, сложно количественно оценить их превосходство над другими брендами. Более того, важно иметь в виду, что некоторые производители двигателей могут использовать поддельную продукцию вместо фирменной.

Выбор правильного размера двигателя для fpv дрона

Чтобы определить идеальный размер двигателя для вашего дрона, следуйте этой последовательности: Размер рамы => Размер пропеллера => Размер двигателя.

Определив размер рамы, вы можете оценить подходящий размер двигателя. Размер рамы ограничивает размер пропеллера, и для каждого размера пропеллера требуются разная скорость вращения для создания эффективной тяги, именно здесь вступает в игру KV.

Дополнительно убедитесь, что двигатели производят достаточный крутящий момент для вращения выбранного пропеллера. Это соображение связано с размером статора. Как правило, более крупный статор и более высокое значение KV приводят к увеличению потребляемого тока.

Приведенная ниже таблица предлагает общие рекомендации. Их не следует рассматривать как жесткое правило, поскольку вы можете встретить людей, использующих двигатели с несколько большим или меньшим KV, чем указано в таблице. Однако она служит хорошей отправной точкой. Таблица предполагает, что вы питаете свой квадрокоптер от литий-полимерной батареи 4S, а размер рамы соответствует расстоянию между двигателями по диагонали.

 

Соображения по напряжению и потреблению тока

Понимание роли напряжения при выборе двигателя является очень важным фактором. При более высоком напряжении ваш мотор будет пытаться вращаться быстрее, что вызовет повышенное потребление тока. Помните о тяге, создаваемой вашими двигателями, и токе, которого они требуют.

Как только у вас будет четкое представление о токе, который потребляет ваш двигатель в паре с пропеллером, вы сможете уверенно выбрать правильный контроллер скорости для вашего дрона. Имейте в виду, что контроллер скорости должен выдерживать максимальный потребляемый ток, не выходя за его пределы, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу.

О лучших контроллерах скорости вы можете узнать, прочитав нашу статью.

Как оценить производительность двигателя

После того, как вы разобрались с размером мотора, у вас, скорее всего, останется несколько вариантов на выбор. Чтобы определить наилучший двигатель для ваших конкретных потребностей, примите во внимание следующие факторы:

• Тяга.
• Эффективность и потребляемый ток.
• Вес.

В конечном счете, на ваш выбор будет влиять предполагаемая область применения, стиль полета и желаемые эксплуатационные характеристики.

Тяга

Когда речь идет о выборе двигателя для FPV-дрона, тяга часто становится первостепенным фактором. В конце концов, эта та самая сила, которая двигает ваш дрон и позволяет ему совершать впечатляющие воздушные маневры и трюки.

Хотя более сильная тяга конвертируется в более быстрое ускорение, крайне важно не упускать из виду другие факторы, такие как потребление тока и эффективность. Выбор в пользу комбинации двигателя и пропеллера, требующей чрезмерной силы тока, может привести к чрезмерной нагрузке на ваши аккумуляторы, что потенциально сократит срок их службы.

Если ваш дрон потребляет значительное количество тока при полном газе, необходимо убедиться, что максимальная скорость разряда вашего аккумулятора соответствует поставленной задаче.

Хотя тяга, несомненно, является жизненно важным аспектом, который следует учитывать при выборе двигателя для вашего FPV-дрона, необходимо сопоставить ее с другими факторами, о которых речь пойдет далее.

Вес мотора

Вес двигателя часто упускается из виду при выборе двигателя для FPV-дрона, однако он играет решающую роль, особенно для высокопроизводительных летательных аппаратов, таких как гоночные дроны и дроны для фристайла.

Двигатели расположены по четырем углам рамы, что означает, что они оказывают значительное влияние на отзывчивость квадрокоптера. Более тяжелые двигатели увеличивают угловой момент инерции, требуя от двигателей большего крутящего момента (а не только тяги) для изменения положения дрона.

В реальных сценариях полета, когда ваш квадрокоптер выполняет кувырки и вращения вокруг оси, требуется время, чтобы набрать угловое ускорение, достичь желаемого положения, а затем остановиться. Более тяжелым двигателям требуется больше времени для достижения необходимой угловой скорости и замедления, что делает беспилотник менее отзывчивым. Это особенно важно, если ваш стиль полета предполагает быструю смену направления, например, фристайл или гонки.

Для тех дронов, которые в первую очередь ориентирован на движение по прямой, таких как кинематографические беспилотники, вес двигателя может быть не столь критичным.

Эффективность и потребляемый ток

При выборе двигателя для FPV-дрона следует подумать об эффективности мотора, которая измеряется в граммах на ватт (г/Вт) и вычисляется путем деления тяги на мощность при уровне газа в 100%. Чем выше число, тем эффективнее двигатель.

Однако не смотрите только на эффективность верхнего уровня. Анализируйте эффективность во всем диапазоне газа, особенно в том диапазоне, в котором вы будете в основном летать. Некоторые двигатели могут быть эффективными при более низких уровнях газа, но теряют эффективность, приближаясь к своему пределу, поскольку там потребляют более высокий ток.

Еще одним полезным показателем для измерения эффективности является «грамм на ампер» (тяга/ток).

Как правило, по мере увеличения тяги увеличивается и ток, необходимый для ее создания. Поэтому предпочтительнее двигатели с большой тягой и низким потреблением тока. Неэффективные двигатели могут генерировать недостаточную тягу или потреблять чрезмерный ток.

Каждый двигатель по-разному реагирует на различные 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 повредить аккумулятор и вызвать «проседания» напряжения, поэтому очень важно найти правильный баланс для оптимизации производительности вашего дрона.

Дополнительные факторы, влияющие на производительность двигателя

Некоторые характеристики двигателей дронов не упоминаются производителями напрямую и могут быть обнаружены только в ходе более глубоких технических испытаний. Вот несколько дополнительных факторов, которые следует учитывать при выборе двигателя:

• Крутящий момент.
• Время отклика.
• Температура.
• Вибрации и баланс.

Крутящий момент

Крутящий момент – это сила, ответственная за вращение пропеллера, определяющая, насколько быстро двигатель может увеличивать и уменьшать скорость вращения. Другими словами, он измеряет, насколько легко двигатель может двигать ротор, пропеллер и, самое главное, воздух.

Крутящий момент двигателя существенно влияет на производительность вашего квадрокоптера, особенно на его точность и отзывчивость во время полета. Двигатель с высоким крутящим моментом обеспечивает более быстрый отклик благодаря более быстрому изменению оборотов. Вы даже можете добиться уменьшения «холостого хода» винта при увеличении крутящего момента.

Вдобавок, высокий крутящий момент позволяет использовать более тяжелые пропеллеры (хотя и за счет более высокого потребления тока). Если двигателю с низким крутящим моментом приходится вращать винт, который слишком тяжел для него, двигатель будет изо всех сил пытаться создать достаточное усилие для достижения желаемых оборотов в минуту, что приведет к низкой эффективности и перегреву.

Однако у двигателей с высоким крутящим моментом есть один потенциальный недостаток: колебание. Эти моторы способны изменять скорость вращения настолько быстро, что фактически усиливают ошибки (в PID-контуре полетного контроллера), приводя к колебаниям, которые трудно устранить даже с помощью настройки PID и фильтра.

На крутящий момент напрямую влияет размер статора. Обычно более крупный статор соответствует большему крутящему моменту. Другие факторы, которые могут увеличить крутящий момент, включают:

• Более сильные магниты.
• Минимизация воздушного зазора между постоянными магнитами и статором, например, с помощью дуговых магнитов.
• Более тонкие слои статора.

Еще одним преимуществом двигателей с высоким крутящим моментом является их повышенная устойчивость к большему шагу хода и размеру пропеллера. Это позволяет им лучше работать с более широким диапазоном пропеллеров. Однако использование более легких пропеллеров также может быть эффективным, поскольку изменение скорости вращения 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 – определить, сколько времени требуется двигателю для достижения максимального числа оборотов в минуту с нуля.

Время отклика сильно зависит от веса и шага хода выбранного вами пропеллера. Имейте в виду, что атмосферные условия также могут оказывать влияние. Например, на более низких высотах воздух плотнее, а это означает, что здесь больше молекул воздуха, которые пропеллер должен двигать, чтобы создать тягу. На больших высотах ваши пропеллеры будут быстрее вращаться и быстрее реагировать на изменения газа, но общая тяга будет уменьшаться из-за меньшего количества молекул воздуха, с которыми взаимодействует пропеллер.

Температура

Температура играет решающую роль в производительности и долговечности бесщеточных двигателей. При более высоких температурах магниты, используемые в этих двигателях, производят более слабое магнитное поле, а это может привести к ускоренному размагничиванию и снизить срок службы двигателя.

Чрезмерный вес пропеллеров или чрезмерное использование полного газа может привести к тому, что ваши двигатели перегреются. Это, в свою очередь, может со временем ухудшить производительность двигателя и магнитов. Поэтому конструкция, содействующая охлаждению мотора, часто обеспечивает более длительный срок службы.

Вибрации

Вибрация, исходящая от двигателей, может привести к нескольким нежелательным последствиям для производительности вашего квадрокоптера.

Двигатель с плохой балансировкой или некачественной сборкой может генерировать вибрации, которые могут повлиять на ваш PID-контроллер. Из-за изменения частоты вибраций при разных уровнях газа настройка вашего дрона может оказаться довольно сложной задачей.

Кроме того, двигатель, подвергающийся вибрациям, производит больше электрических помех, чем плавно работающий двигатель. Этот электрический шум может мешать работе вашего гироскопа, то есть ухудшать летные характеристики, и может даже негативно влиять на качество FPV-видео, если ваша FPV-система питается напрямую от батареи дрона.

Чтобы смягчить проблемы с вибрацией, большинство полетных контроллеров поставляются с решениями для мягкого монтажа, такими как резиновые уплотнения, которые обеспечивают значительные улучшения. Однако важно помнить, что поврежденные, погнутые или несбалансированные пропеллеры также могут способствовать проблемным вибрациям. Обязательно регулярно проверяйте свои пропеллеры и заменяйте их по мере необходимости для поддержания оптимальной производительности.

Ключевые функции двигателей для FPV-дрона

Производительность двигателя зависит от множества факторов, поэтому это весьма сложная и временами противоречивая тема. Моторы с одинаковыми значениями KV и размером статора могут иметь различную тягу, потребляемый ток и время отклика даже при использовании идентичных пропеллеров. Как дизайн, так и выбор материалов могут существенно влиять на производительность.

В этом разделе мы рассмотрим различные конструктивные особенности двигателя, которые способствуют повышенной производительности и могут изменить характеристики двигателя.

Вал мотора

Вал является неотъемлемой частью бесщеточного двигателя, так как он отвечает за надежную установку пропеллера. Большинство бесщеточных моторов, предназначенных для пропеллеров на 3, 4, 5 и 6 дюймов имеют валы M5 диаметром 5 мм.

Конструкция вала двигателя со временем эволюционировала, чтобы обеспечить лучшую производительность и долговечность:

1. Цельные алюминиевые валы. В прошлом валы двигателей изготавливались из цельных алюминиевых стержней. Хотя они были легкими, но менее жесткими и более подверженными изгибам.
2. Полые титановые валы. Чтобы решить проблемы цельных алюминиевых валов, производители начали использовать полые титановые валы. Эти валы также обеспечивали снижение веса, но были значительно более жесткими и устойчивыми к изгибу. Однако просверливание отверстия через центр титанового вала увеличивало производственные затраты.
3. Гибридные валы. Совсем недавно некоторые производители разработали конструкцию гибридного вала, вставив стальной стержень внутрь полого титанового вала. Этот инновационный дизайн сочетает в себе жесткость и прочность стали с легкими свойствами титана, обеспечивая превосходную производительность и долговечность.

Тип магнитов

Магниты, используемые в бесщеточных моторах, классифицируются в зависимости от силы магнитного поля, например, N50, N52, N54, где более высокие числа указывают на более сильное магнитное поле. К примеру, двигатель с магнитами N52SH будет лучше двигателя с магнитами N50SH.

Теоретически более сильное магнитное поле позволяет двигателю более эффективно генерировать мощность, в итоге это обеспечивает более высокий крутящий момент и более быстрое время отклика.

Когда вы вручную вращаете двигатель с более сильным магнитным полем, вы, как правило, ощущаете больше «насечек» (ступенек). Это не обязательно хорошо, поскольку указывает на менее равномерное магнитное поле, то есть менее плавное вращение двигателя. Вы можете заметить, что при вращении вручную некоторые двигатели будут ощущаться более ступенчатыми, чем другие, это отражает силу магнитов. Более сильные магниты делают вращение двигателя менее плавным.

Также важно отметить, что магниты могут терять свою магнитную силу при высоких температурах, а это негативно влияет на производительность двигателя. Для решения этой проблемы производители часто используют магниты N52H, способны выдерживать высокие температуры. В некоторых двигателях даже используются магниты N52SH, которые, как считается, способны выдерживать еще более высокие температуры.

Наконец, нередко магниты расшатываются при авариях или из-за вибрации. Чтобы устранить эту проблему, вы можете использовать клей Loctite 438 для приклеивания магнитов обратно на место внутри раструба двигателя.

Изогнутые магниты

Использование изогнутых магнитов, также известных как дуговые магниты, – это технология, которая позволяет разместить магниты ближе к статору, обеспечивая меньший и более равномерный воздушный зазор. Следствием этого будет улучшенная производительность двигателей.

В отличие от стандартных магнитов, дуговые магниты устроены так, что самая сильная магнитная точка каждого полюса расположена не на поверхности магнита. Эпицентр полюса на внешнем изгибе будет находиться ниже поверхности, а эпицентр полюса на внутреннем изгибе фактически окажется над поверхностью, что приблизит магнитные поля постоянных магнитов и электромагнитов друг к другу.

Помимо формы магнитов значение имеет их толщина. Некоторые производители тестируют двигатели для минидронов с магнитами разной толщины. В результате было обнаружено, что чуть более тонкий магнит (и, следовательно, более слабое магнитное поле) также может заметно повлиять на производительность.

Воздушный зазор

Воздушный зазор в двигателе относится к расстоянию между постоянными магнитами и статором. Магнитная сила нелинейно уменьшается с расстоянием, поэтому уменьшение зазора между двумя магнитами значительно повышает мощность двигателя. Меньший воздушный зазор не только делает двигатель более мощным, но также улучшает крутящий момент и отклик.

Недостатком более плотного воздушного зазора является увеличение потребляемого тока и снижение эффективности. Также существует опасение относительно надежности: если раструб двигателя будет подвергнут какому-либо столкновению или удару и в результате будет смещен или вообще сдвинут, магнит может врезаться в статор и даже разбиться вдребезги.

Слои статора

Говоря о слоях статора, важно обратить внимание на толщину отдельных листов металла, уложенных в статор двигателя. Более тонкие слои позволяют укладывать больше пластин при одинаковой высоте статора.

Как правило, более тонкие слои статора лучше подходят для работы двигателя. Они помогают уменьшить явление, известное как вихревой ток, который генерирует тепло в изменяющейся магнитной среде. Более тонкие слои означают, что меньше энергии тратится на генерацию вихревых токов, а значит, двигатель будет более мощным и эффективным.

Крепления вала: C-образный зажимы/Винты

Что касается крепления вала, двигатели FPV-дронов используют один из трех способов: C-образные зажимы, E-образные зажимы или винты. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, что затрудняет выбор лучшего варианта.

В целом можно сказать, что винты легче снимаются и более просты в обращении, чем C-образные или E-образные зажимы. Однако существует повышенный риск чрезмерного затягивания винтов, что может привести к блокировке вала и затруднению вращения двигателя.

С другой стороны, поступали сообщения о С-образных зажимах, выскакивающих во время полета. В итоге раструб двигателя может отлететь, что приведет к аварии дрона. Хотя винты могут показаться более безопасным вариантом, они тоже не застрахованы от этой проблемы.

Алюминиевый сплав

Металл, используемый для раструба и основания двигателя, определяет его долговечность. Существует два распространенных типа алюминиевых сплавов, которые используются в двигателях ддя FPV-дронов: 7075 и 6082. Номер обозначает различные серии марок алюминиевых сплавов и химический состав.

Если коротко, 6082 обладает большей пластичностью и легче поддается формовке, в то время как 7075 более жесткий и лучше выдерживает удары. 6082 использовался еще до 2016-2017 года, но 7075 является наиболее распространенным в современных двигателях и считается более устойчивым к ударам.

Unibell (Цельный раструб)

Существует два типа конструкции раструба: состоящий из двух элементов и Unibell (цельный).

Конструкция раструба, состоящего из двух частей, включает в себя обработанную на станке верхнюю алюминиевую деталь, соединенную со стальным флюсовым кольцом, прикрепленным под ней. Это традиционная и широко используемая конструкция в двигателях.

Дизайн Unibell представляет собой алюминиевый раструб, простирающийся вниз над стальным флюсовым кольцом. Это похоже на тонкий защитный футляр, окружающий стальное флюсовое кольцо.

Цельная конструкция Unibell немного увеличивает вес двигателя по сравнению с конструкцией раструба, состоящего из двух частей, однако она повышает долговечность и снижает риск соскальзывания раструба двигателя (обычная проблема для некоторых раструбов, состоящих из двух частей. Двигатели с 2-компонентным дизайном могут пострадать из-за отделения магнитного кольца от верхней части раструба во время сильного столкновения, что сделает двигатель бесполезным. Однако это практически исключено для конструкции Unibell благодаря широкой области сцепления, которая обеспечивает прочное и надежное соединение между двумя компонентами.

Несмотря на небольшое увеличение веса, дополнительная долговечность, обеспечиваемая конструкцией Unibell, оправдывает стоимость. Это увеличение веса приводит к существенному увеличению устойчивости, и на этот компромисс стоит пойти.

Флюсовое кольцо

Флюсовое кольцо – это круглое стальное кольцо внутри раструба, которое вмещает в себя магниты. Раструб обычно изготовлен из алюминия, тогда как флюсовое кольцо делается из стали, поскольку отвечает за линии магнитного поля.

Новейшая конструкция флюсового кольца предлагает нестандартную форму вместо обычной круглой формы. Это позволяет направить больше линий магнитного поля обратно к двигателю и улучшить крутящий момент.

Уплотнительное кольцо

Уплотнительное кольцо под внутренней частью раструба – отличная деталь, которую должен иметь двигатель.

Уплотнительное кольцо действует как буфер/упругая прокладка, поглощая часть ударов при физическом столкновении. Оно помогает сохранить гладкость подшипников в течение более длительного времени, потенциально увеличивая срок службы мотора. Дополнительная защита, которую обеспечивает уплотнительное кольцо, также может снизить потребность в техническом обслуживании и частоту замены деталей, предлагая пользователям как экономические, так и практические преимущества.

Конструкция нижней части

В конструкции основания двигателя есть более традиционный подход «закрытое дно» и более современный стиль «голое дно». У обоих вариантов есть свои плюсы и минусы.

Конструкция с «закрытым дном» означает более прочное основание, однако «голое дно», как правило, легче за счет удаления лишнего материала, экономия веса составляет около 2 граммов.

Двигатели с закрытым основанием с меньшей вероятностью допустят попадание грязи внутрь раструба. Но сторонники «голого дна» могут возразить, что там грязь легче очистить.

В случае с «голым дном» вы можете ясно видеть, насколько глубоко ввинчены винты, и у вас меньше шансов закоротить обмотку двигателя, если винты слишком длинные. (Это часто случается с новичками, которые решили использовать моторы с закрытым основанием).

Тем не менее, закрытое дно обеспечивает лучшую защиту проводов от натяжения в случае поломки и смещения.

Посеребренные медные провода

И серебро, и медь известны своей исключительной проводимостью. Но серебро, будучи более крупным атомом с большим количеством внутренних электронных оболочек, очень слабо удерживает свой внешний электрон. Это означает, что атом серебра может с большей легкостью разъединять свои электроны, позволяя им более свободно перемещаться по металлу и переносить тепло и электричество. Таким образом, серебро является даже лучшим проводником, чем медь.

Нанося слой серебра на внешнюю поверхность медного провода, вы повышаете электро- и теплопроводность, которые одинаково полезны для двигателей.

Однако посеребренные провода имеют более высокую стоимость, чем обычные медные провода, поэтому они редко встречаются в бюджетных моторах.

Технология PoPo

Система PoPo (Pop on Pop off) представляет собой вал двигателя с пружинным подшипником для быстрой установки и снятия пропеллера.

Другие особенности

• Наконечники для пайки.
• Интегрированный контроллер скорости.
• Система охлаждения.

Производители двигателей постоянно экспериментируют с различными видами дизайна и уровнями интеграции оборудования. Результатом этого стал прогресс в области охлаждения и даже появление встроенных в двигатель контроллеров скорости.

Наконечники для пайки позволяют использовать провод меньшего сечения для уменьшения веса на схемах, потребляющих меньше тока. Кроме того, они должны облегчить ремонт в случае обрыва проводов, который для двигателя стандартной конструкции часто может означать конец.

Двигатели с вращением по часовой и против часовой стрелки

Вы редко встретите бесщеточные моторы, помеченные как CW (по часовой стрелке) и CCW (против часовой стрелки).

Такая маркировка не указывает направление вращения двигателя. Бесщеточные двигатели могут вращаться в любом направлении. Этикетка указывает направление резьбы болта двигателя. Это сделано для того, чтобы при вращении двигателя крутящий момент от пропеллера подталкивал гайку двигателя к затягиванию, а не к ослаблению. Это убережет ваши пропеллеры от ослабления и соскакивания во время полета.

Итак, вам понадобится по две экземпляра каждого типа для вашей 4-моторной компоновки в стандартном варианте вращения Betaflight:

• Передний левый – по часовой стрелке.
• Передний правый – против часовой стрелки.
• Задний левый – против часовой стрелки.
• Задний правый – по часовой стрелке.

Чтобы узнать, правильная ли резьба у установленного двигателя, просто удерживайте гайку пропеллера на валу, затем начните поворачивать двигатель рукой в ​​том направлении, в котором он должен вращаться. Если гайка затягивается, то у вас резьба правильная.

Мы рекомендуем вам иметь одинаковую резьбу на всех своих моторах, чтобы не путаться с разными гайками винта. Если вам нужно будет заменить гайку пропеллера в хозяйственном магазине, вы можете столкнуться с настоящей головной болью, пытаясь найти гайку с резьбой против часовой стрелки (или, на жаргоне скобяных изделий, «гайку с левой резьбой»). В наши дни гайки пропеллеров представляют собой стопорные гайки (имеют резину внутри), которые относительно хорошо держатся при затяжке и не подвержены ослаблению.