Как выбрать двигатели для квадрокоптера, критерии и расчет

В этой статье поможем вам с выбором моторов для квадрокоптера и ответим на вопрос — «Как выбрать двигатели для квадрокоптера?».

Для поиска подходящего мотора, мы будем использовать информацию, которую предоставляет производитель в описании своих компонентов.

С чего начать?

Первое, что нужно сделать — это посчитать вес вашего квадрокоптера. Конечно, когда вы только планируете, составить конечный вес сложно и придется опираться на данные из описания товаров и честность продавцов.

Первым делом нужно узнать вес рамы, потому что это основа и в большинстве своем ее форма и размеры начинают определять максимальные размеры оборудования, которое можно повесить на эту раму. Но давайте все изучим по порядку.

Строение двигателя и как он работает

Все бесколлекторные (бесщеточные) двигатели состоят из 4 компонентов:

Статор. Статор это обмотка двигателя, состоящая из 3 фаз длинных тонких проводков, которые обматываются вокруг сердечника. Провода покрыты эмалью/лаком, чтобы предотвратить короткое замыкание при обмотке и работе. Если вы хорошо учили физику, то знаете, что ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле.  Когда провод обмотан вокруг чего-то, то магнитное поле увеличивается. Чем больше ток, тем больше сила магнитного поля и больше крутящий момент от вашего двигателя. Однако, большие токи сильно нагревают обмотку, особенно вот такие тонкие провода и защитная эмаль может оплавиться при сильном нагреве, тогда произойдет короткое замыкание и двигатель станет нерабочим.

Неодимовые магниты. Эти магниты из редкоземельных металлов генерируют фиксированное магнитное поле, они маленькие, но создают очень сильное магнитное поле. Они приклеены эпоксидной смолой или цианокрилатом к корпусу мотора, а точнее к его колоколу.

Корпус двигателя защищает магниты и обмотку. Обычно он изготовлен из легкого металла, такого как алюминий. Более продвинутые двигатели имеют корпусы, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее.

Вал мотора жестко прикреплен к верхней части. Это рабочий компонент мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.

Двигатели для дронов делятся на два типа:

• Коллекторные
• Бесколлекторные

Коллекторные двигатели используются в основном на слабых дронах начального уровня, а чаще всего на игрушках. Дело в том, что они не могут развивать значительные обороты и мощность, а это значит у них будет маленькая подъемная сила. Они громоздкие и склонны к поломкам, так как у таких моторов больше трущихся деталей.

Принцип работы коллекторных двигателей: мотор состоит из корпуса, внутри него находятся магниты – плюс и минус, корпус неподвижен, а в движение приводится ротор с обмоткой с помощью щеток, которые подают электричество на обмотку:

Бесколлекторные двигатели используются на гоночных и профессиональных дронах, а также на съемочных, все чаще их ставят даже на бюджетные квадрокоптеры за $100. Отличаются огромными мощностями, значительными оборотами и тягой. Такие двигатели компактные, по весу примерно такие же, имеют долговечность за счет минимума движущихся частей, потому колокол с валом крутится на 2 подшипниках.

Принцип работы бесколлекторных (бесщеточных) двигателей: магниты и обмотка создают движущую силу благодаря взаимодействию и созданию магнитного поля между ними. Это происходит благодаря подаче постоянного тока на определенную обмотку (у нас 3 фазы, то есть 3 отдельных провода на обмотке), ток подается и прекращает подаваться на определенные обмотки в короткий промежуток времени, тысячные доли секунды, заставляя крутиться верхнюю часть с магнитами. Этим процессом полностью управляют ESC-регуляторы, это мозг моторов, они решают, когда подавать ток, а когда нет и с какой частотой.

Расшифровка маркировка двигателей квадрокоптеров

KV – количество оборотов в минуту на вольт, чем больше число, тем сильнее будет крутиться колокол двигателя и тем меньше можно установить пропеллер. У микро дронов (tiny whoop) всегда очень большой KV, он может быть 8500, а может и 15000KV

2204 — размер статора.

A2313/16T – Буква А это класс двигателя. 23 – диаметр магнитопривода в мм, толщина двигателя 13 мм, 16 – витков.

Чем меньше витков у двигателя, тем больше KV, но меньше крутящий момент.

Критерии для выбора

Рама

Размер и мощность двигателя определяется размером выбранной рамы дрона. Чтобы все выбрать правильно, нужно определиться:

• с размерами дрона, который вы хотите собрать;
• с размерами пропеллеров, которые можно установить на выбранную раму;
• какие аккумуляторы вы собираетесь использовать.

Например, если вы собираете гоночный или фристайл дрон, то такие рамы небольшие и усиленные. Если дальнолет (дрон, который летает на дальние расстояния), то у него будет маленький фюзеляж и длинные лучи, на которых закрепляются двигатели.

В описании карточки каждой рамы продавец должен написать допустимые размеры пропеллеров, которые можно использовать с этой рамой, ну и для чего она разрабатывалась: гонки, фристайл, дальнолет (longe range) или съемка видео.

Читайте также: Рама для квадрокоптера — как выбрать, основы и советы

Пропеллеры

Размер пропеллеров зависит от размера рамы. Все пропеллеры начинаются с маркировки, например, 5045, это 5-дюймовые пропеллеры с шагом 4,5. Как вы уже знаете, размер допустимых пропеллеров должен быть указан в описании к раме. Кроме этого, допустимы размер пропеллеров указывается в карточке описания двигателя и выглядит так:

Размер статора

Так сложилось, что двигатели классифицируются сначала по размеру статора, а потом уже по другим данным, например, KV. Ниже вы можете ознакомиться с таблицей, где указаны рекомендованные характеристики двигателей в зависимости от размера рамы и пропеллеров:

Масса, эффективность (КПД), мощность и крутящий момент

Масса или вес

Здесь все просто, чем меньше вес, тем легче мотору раскручиваться, чем больше вес, тем тяжелее. Легкий двигатель можно более тонко настроить (PID) и он более чувствителен в воздухе. Чем легче двигатель, тем он мягче, поэтому новичкам лучше выбирать двигатели массивнее, чтобы в случае аварии они сильно не страдали.

Для гонок предпочтительнее тяжелые двигатели, а для фристайла легкие.

Помните, нужно балансировать между соотношением мощности к весу.

Эффективность (КПД)

Эффективность измеряется в граммах/ватт и представляется как требуемая тяга/мощность.

КПД двигателя влияет на время полета, срок службы аккумулятора и на падение напряжения в полете. Идеальный двигатель, это когда все параметры эффективны при любых оборотах двигателя, а не только при самых высоких.

Аккумулятор должен уметь отдавать большие токи, этот параметр указывается буквой С. Маленькие аккумуляторы с низким С не смогут реализовать высокую эффективность двигателя. Например, аккумулятор с 90С покроет потребности практически любых двигателей для фристайла и гонок.

Читайте также: Как выбрать LiPo аккумуляторы для квадрокоптера

Двигатели с высоким KV наиболее эффективны на высоких оборотах.

КПД рассчитывается по формуле η=P/√3UIcosφ,

где:

• P — Номинальная мощность электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателя);
• U — Номинальное напряжение (напряжение на которое подключается электродвигатель);
• I — Номинальный ток электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателя, а при их отсутствии определяется расчетным путем);
• cosφ — Коэффициент мощности — отношение активной мощности к полной (принимается от 0,75 до 0,9 в зависимости от мощности электродвигателя);

Формула взята с сайта https://elektroshkola.ru/kalkulyatory/onlajn-raschet-xarakteristik-trexfaznyx-elektrodvigatelej/, там же есть и кулькулятор.

Мощность

В описании к двигателям пишут максимальную тягу, но не стоит зацикливаться только на ней. Например, легкий квадрокоптер с двигателями у которых небольшая тяга, в воздухе может себя вести точно также, как тяжелый квадрокоптер с двигателями с гораздо большей тягой. Есть одно правило:

Соотношение мощности к весу должно быть 4 к 1 для фристайл-дронов и 8 к 1 для гоночных дронов.

Рассчитать соотношение очень просто, для этого возьмем статическую мощность двигателей и разделим на общий вес квадрокоптера. Например, рассчитаем соотношение дрона на раме 200 мм с двигателями 2205 2400 KV и пропеллерами HQ5x4x3:

• Тяга двигателей составляет 4241,5 грамм;
• Общий вес вместе с аккумулятором 1300 mAh 75C составляет 490 грамм.

4241 : 490 = 8,6. Получается соотношение мощности к весу — 8,6 к 1. Это даже больше, чем рекомендуемая, а значит мощности с запасом и дрон будет очень резвым.

Можно было бы выбрать двигатели и с большей тягой, но это уже нецелесообразно, потому что в нашем случае двигатели потребляют ток 24 Ампера при полном газе на пропеллерах HQ5x4x3, а аккумулятор в сборке 1300 mAh и 75С, который выдерживает токоотдачу 97,5 Ампер, 1,5 ампера останутся в запасе.

Все взаимосвязано, поэтому лучше сначала определиться с рамой и двигателями, а потом покупать ESC (особенно, если сборка ESC + Полетный контроллер, 4 в 1), чтобы потом не покупать новые комплектующие из-за несовместимости мощностей.

Крутящий момент

Чем больше двигатель, тем больше крутящий момент. Но современные производители ведут много разработок и все чаще даже маленькие двигатели выдают большие крутящие моменты за счет использования новых материалов и оптимизации технологии.

KV — количество оборотов на вольт

KV это просто параметр, показывающий сколько оборотов в минуту совершит двигатель, он не будет показателем мощности, тяги или эффективности.

KV 8000 это значит, что если подать на двигатель 1 вольт, то он будет крутиться со скоростью 8 тысяч оборотов в минуту.

Крутящий момент и его отношение к KV

Постоянная крутящего момента является обратной величиной KV. Чем больше KV, тем меньше крутящий момент.

Ток, крутящий момент и KV взаимосвязаны, двигатели с более низким KV требуют меньшего тока для вращения тяжелых пропеллеров и, следовательно, имеют больший крутящий момент, но теряют эффективность при высоких оборотах — и наоборот, двигатели с высоким KV требуют более высоких токов для вращения тяжелых пропеллеров, но могут работать на высоких оборотах более эффективно.

Что дальше?

Если вы хотите еще сильнее углубиться в тему выбора, то вам нужно открыть Ютуб или любой поисковик и вбить запрос «тест тяги двигателя @название двигателя@» и изучить видео, где различные блогеры тестирую двигатель на разном уровне газа используя разные пропеллеры, выискивая идеальные параметры совмещения двигатель/пропеллер. Искать нужно видео о двигатели, который вы присмотрели для своей сборки.

Данные будут примерно такого вида:

Какие нужны регуляторы оборотов (ESC)?

Нужно учитывать мощность выбранных регуляторов оборотов. Так как двигатели потребляют 24 ампера, ESC нужны минимум на 25 А, а лучше на 30, чтобы был запас и они сильно не грелись. Сейчас большой выбор ESC и лучше всегда брать с запасом на 5 А.

Читайте также: ESC регуляторы оборотов, что это, как они работают и как выбрать

Аккумуляторы для двигателей

Про токоотдачу вы уже знаете из текста выше, а что насчет выбора 4S или 6S аккумулятора? Ответ на этот вопрос есть в статье LiPo 6S аккумулятор, чем отличается от 4S, его эффективность и использование, там есть таблица с расчетами какой двигатель выбрать для 4S, 5S, 6S аккумуляторов и их RPM.

Примеры двигателей

Фото	Название	KV	Ссылки
	Emax RS2205S	2300KV	Aliexpress | Banggood
	Readytosky 2205-2300 (дешевые, для новичков)	2300KV	Aliexpress
	Racerstar Racing Edition 2205	2300KV	Aliexpress | Banggood
	iFlight Xing 2306	2450KV	Aliexpress | Banggood
	SZSPEED A2207	2500KV	Aliexpress
	T-motor F40 PRO (профессиональные и очень качественные)	2400-1950KV (4S и 6S)	Aliexpress | Banggood

Выводы

Надеемся, вы почерпнули новую информацию и теперь понимаете, как выбрать двигатели для квадрокоптера. Ничего сложного здесь нет, главное сначала выбрать раму и пропеллеры, а затем подобрать оптимальные двигатели.