Щеточные и безщеточные двигатели квадрокоптеров: свойства, различия плюсы и минусы

Одна из самых главных частей квадрокоптера – двигатели. Моторы квадрокоптеров подразделяются на коллекторные (щёточные) и бесколлекторные (бесщёточные). Сегодня мы рассмотрим их основные отличия, преимущества и недостатки, а также поговорим о том, по каким критериям следует выбирать мотор (motor) для дрона.

Устройство и принцип действия щёточного (коллекторного) двигателя дронов

Двигатель коллекторного типа (brushed) состоит из корпуса, внутри которого есть плюс и минус (одна фаза). Его основная задача – преобразование электроэнергии в механическую или наоборот.

Он неподвижен и имеет щёточно-коллекторный узел. Коллектор представляет собой набор контактов, которые расположены на вращающемся элементе (роторе). Щётка – скользящий контакт – расположена на неподвижном элементе (статоре). В движение приводится ротор с помощью щёток, подающих постоянный ток на обмотку. Направление вращения зависит от полярности.

Наличие щётки значительно убавляет ресурс коллекторного электропривода, поскольку создаётся трение.

Коллекторные двигатели обладают небольшой подъёмной силой, и применяются обычно на дронах начального уровня. В квадрокоптерах средней и премиальной категории преимущественно используются моторы бесколлекторного (бесщёточного) типа, о них мы поговорим далее.

Устройство и принцип действия бесщёточного (бесколлекторного двигателя)

Бесщёточный (бесколлекторный, brushless motor), электромотор состоит из вращающегося ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора с электромагнитами. Смена направления вращения производится путём смены полярности (меняют два провода из трёх). Такие электроприводы обладают разным числом полюсов, и чем их больше, тем медленнее, но со значительным усилием, будет вращаться ротор.

Принцип действия заключается в том, что магниты и обмотка образуют движущую силу ввиду взаимодействия и создания магнитного поля между ними. Это происходит благодаря подаче постоянного тока на конкретную обмотку (три фазы, соответственно, три отдельных провода на обмотке). Ток поступает и прекращает поступать на конкретные обмотки кратковременно, заставляя вращаться верхнюю часть с магнитами. За данный процесс отвечают ESC-регуляторы, которые определяют момент начала и прекращения подачи тока, а также определённой частоты.

Бесщёточные двигатели применяются на гоночных и съёмочных дронах, а также коптерах профессионального уровня. Но в последнее время их всё чаще устанавливают на беспилотники бюджетной категории,в пределах 6000-10000 рублей. Электроприводы такого типа отличаются большими мощностями, значительной тягой и количеством оборотов, долговечностью за счёт минимального количества движущихся частей.

Маркировка моторов квадрокоптеров, расшифровка

В соответствии с общепринятыми нормами, маркировка электроприводов дронов строится следующим образом:

1. Первая буква означает класс привода, и отображает качество изготовления:

• серия «V» – так обычно обозначаются электромоторы квадрокоптеров гоночного и премиум-класса, изготовленные из наилучших материалов с высокой точностью сборки;
• серия «X» – серия электродвигателей квадрокоптеров средней ценовой категории соответствующего качества и сборки;
• серия «A» – электромоторы бюджетных дронов.

2. Четыре цифры обозначают параметры магнитопровода. Первые две цифры – это диаметр (в миллиметрах), две следующие – толщина набора (в миллиметрах).
3. Через дробь также идут цифры, обозначающие количество витков.
4. Последняя буква – тип намотки.

• A – электродвигатель бюджетного квадрокоптера;
• 22 – магнитопровод диаметром 22 миллиметра;
• 12 – толщина набора 12 миллиметров;
• 15 – 15 витков;
• Т – (иногда может встречаться обозначение Δ) – намотка “треугольником”.

Также в маркировке может указываться количество оборотов в минуту на единицу напряжения (Вольт) – KV. Об этом показателе более подробно мы поговорим далее.

Как правильно выбрать двигатель квадрокоптера

При выборе электромотора для дрона необходимо руководствоваться сразу несколькими критериями. Рассмотрим по отдельности каждый из них.

Вес

Чем менее вес электродвигателя, тем легче ему будет раскрутиться. И чем больше вес, тем он мощнее и медленнее он раскручивается. Для новичков пилотирования, больше подойдут квадрокоптеры с массивным электромотором, который при возникновении аварийной ситуации не повредится.

Для гонок, более подходящими являются моторы потяжелее, а для фристайла – легковесные.

Здесь важно соблюдать баланс соотношения мощности и веса.

Размер рамы и пропеллеров

Размер и мощность приводов определяются габаритами выбранной рамы дрона. Для правильного выбора следует решить:

• какие габариты будут у квадрокоптера, который вы желаете собрать;
• какого размера будут пропеллеры, устанавливаемые на раму;
• какой тип аккумуляторов будет использован.

Если пилот хочет собрать гоночный или фристайл БПЛА, то раму следует выбирать небольшую и усиленную. Если же дрон будет летать на дальние дистанции, то ему понадобится малый фюзеляж и длинные лучи, на которых крепятся моторы

Габариты пропеллеров квадрокоптера зависят от размеров рамы. При том все пропеллеры маркируются определённым образом, маркировка всегда начинается с цифр.

В описании рамы продавцы отмечают допустимые габариты пропеллеров, применяемые с данной рамой, а также назначение использования.

Мощность (тяга двигателей)

В описании к электромоторам обычно указывается максимальная тяга, но не стоит зацикливаться именно на этом показателе. Тяга, или подъёмная сила, показывает тот вес, который может поднять двигатель дрона. Однако, лёгкий беспилотник с приводами, у которого малая тяга, в воздухе может повести себя таким же образом, как и тяжёлый квадрокоптер с электродвигателями с большой тягой. Поэтому гораздо более важным является показатель соотношения тяги к весу, о котором мы поговорим далее.

Соотношение тяги и общего веса дрона

Общее правило по соотношению выглядит так: тяга 1 мотора = весу беспилотника * 2 / количество электродвигателей.

Превышение тяги вдвое – действительно тот самый минимум, который необходим для того, чтобы дроном легко было управлять при зависании. Если тяга слишком малая, то БПЛА будет довольно плохо слушать команды управления и ему будет сложно взлететь. В целом же, чем больше это соотношение, тем лучше квадрокоптер управляется и ускоряется.

Так, для медленной аэрофотосъёмки может быть достаточно соотношения 3:1, либо 4:1. Для гоночных беспилотников предпочтительно соотношение 8:1.

Размер двигателей

Габариты бесколлекторных приводов обычно обозначаются 4 цифрами, первые две – диаметр статора (в миллиметрах), две следующие – высота статора (в миллиметрах). Чем больше высота статора, тем он более мощный на больших оборотах. Чем больше диаметр, тем больше крутящий момент при малых оборотах.

Постоянная скорость (KV)

KV – количество оборотов в минуту на единицу напряжения. Это важный параметр бесколлекторных электроприводов, который показывает как увеличится количество оборотов электромотора с подачей напряжения 1 В без пропеллера. К примеру, KV 8000 будет означать, что если подать на привод 1 Вольт, то он будет крутиться со скоростью 8000 оборотов в минуту. При установке пропеллера количество оборотов снизится ввиду сопротивления воздуха. Приводы с более высоким KV будут раскручивать пропеллеры быстрее, потребляя при этом больший ток. Поэтому рекомендуется устанавливать большие пропеллеры на моторы с малым KV, а компактные лёгкие пропеллеры – на двигатели с высоким KV.

N и P – что это такое?

В описаниях электромоторов могут присутствовать значения вроде «12N14P». Цифры перед «N» будут означать число электромагнитов в статоре, а перед «P» – число постоянных магнитов в роторе.

У разных типоразмеров электродвигателей разное число полюсов, которое определяет дистанцию между ними. Более число плюсов обеспечивает плавность вращения, меньшее – более высокую мощность.

Прямое или обратное вращение моторов

Получила распространение и маркировка «CW» или «CCW», что расшифровывается по часовой или против часовой стрелки.

Направление вращения имеет значение для электродвигателей коллекторного типа, поскольку щётки стираются довольно быстро при вращении в обратную сторону. Приводы бесколлекторного типа эта проблема не затрагивает.

Регуляторы оборотов мотора (ESC)

ESC или Electronic Speed Controller – регулятор хода или скорости. Он предназначен для регулирования скорости вращения моторов (к примеру, в квадрокоптерах гоночного типа). ESC получает сигнал от полётного контроллера и управляет бесколлекторным двигателем путём изменения его скорости вращения посредством управления мощностью.

При выборе ESC важно учитывать его размер и вес, максимальный ток, напряжение питания, прошивку, процессор, используемые протоколы, активное торможение и аппаратный ШИМ.

Лучшие бесщеточные двигатели для квадрокоптеров

Приведём список наиболее популярных бесколлекторных моторов квадрокоптеров.

Внимание! Перед покупкой,обязательно тщательно проверяйте все технические характеристики и параметры двигателя: размеры, длинна вала, его диаметр, направление вращения, характеристики мощности,напряжения, параметры ESC и т.д.

Brushless motor	Фото	KV	Цена на aliexpress
Emax ECO II Series 2207		1700-2400	от 1200 руб
Readytosky 2205-2300 CW/CCW		2300	от 500 руб
Sparkhobby RS2205 PRO		2300	от 300 руб
Emax ECO II 2306		1700-1900-2400	от 4000 руб
DYS Samguk серии Wei 2207		1750-2300-2600	от 560 руб
T-motor F40 PRO IV (проффесиональные)		1950-2400	от 8000
Sunnysky X2212		от 980 до 2450	от 1300
Surpass Hobby C4260		500-600	от 2700 руб

 

Заключение

В данном материале мы рассказали, какие бывают моторы квадрокоптеров, чем они отличаются,их плюсы и минусы, привели примеры лучших бесщеточных моторов для дронов.

Приобретение и сборка подходящего квадрокоптера – процессы не из лёгких. Они требуют тщательного подхода к выбору комплектующих, в том числе к выбору двигателей. Надеемся, что наш обзор был полезным для Вас!