Как работают двигатели дронов?

Дроны — это чудо современной инженерии, объединяющее работу нескольких компонентов для создания небольшого летательного аппарата, которым можно управлять дистанционно. Несмотря на их размер, нельзя утверждать, что механика полета дронов может показаться немного сложной. Чтобы лучше понять, как работают эти дроны, лучше всего их разбить и посмотреть, как работает каждый компонент.

В этой статье мы внимательно рассмотрим одну из наиболее важных частей дрон: моторы. Двигатели обеспечивают мощность и контроль пропеллеров дрона, которые позволяют дрону набирать высоту и двигаться в любом направлении. Как работают эти моторы? Если вы собирали дрон с нуля, как выбрать двигатель для дрона?

Что делают двигатели дрона

Нет сомнений что двигатели являются неотъемлемой частью работы дронов, но что именно они делают? В мультироторном дроне каждый ротор или пропеллер приводится в действие индивидуально от двигателя. Эти двигатели обеспечивают вращательное движение гребным винтам, что позволяет им «отталкиваться» от земли и обеспечивать подъемную силу. По мере того, как дрон набирает высоту, пропеллеры должны обеспечивать большую подъемную силу, что заставляет двигатели работать быстрее и потреблять больше энергии от батареи.

Помимо подъемной силы, дроны также полагаются на пропеллеры для направленное движение. Изменяя скорость вращения каждого пропеллера, дроны достигают направленного смещения, которое позволяет им двигаться в любом направлении. Этот процесс требует немного большего усложнения, так как скорость вращения каждого пропеллера необходимо отрегулировать, чтобы дрон двигался в заданном направлении. Это управление обеспечивается модулем электронного регулятора скорости (ESC) каждого двигателя, компоненты, которые необходимо будет обсудить в отдельной статье.

Бесщеточные и щеточные двигатели

Если вы какое-то время покупали дроны, то наверняка встречали термины «щеточные» или «бесщеточные» двигатели. В чем разница между ними? Один лучше другого?

1. Матовые двигатели

Матовые двигатели классические и традиционные. Они существуют уже несколько десятилетий и являются основой стандартной моторной техники. Как и любой другой двигатель, бесщеточный двигатель состоит из двух основных частей: ротора и статора. Как следует из их названий, ротор — это вращающийся компонент двигателя, а статор — это компонент, который остается неподвижным.

В щеточном двигателе центрально расположенный ротор окружен статором, который с парой магнитов противоположной полярности. Вращательное движение ротора вызывается контактом «щеток» коллектора ротора с источником тока. Прохождение тока в ротор создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами статора..

Это магнитное взаимодействие в сочетании с протеканием тока, вызванным прерывистым контактом щеток с источником электропитания, приводит к непрерывному вращению ротора. Увеличивая ток, подаваемый на ротор, можно влиять на силу магнитного поля, что, следовательно, ускоряет вращение ротора.

Тот факт, что щетки коммутатора должны входить в контакт с источником тока является одним из самых больших ограничений технологии щеточных двигателей. Как вы понимаете, быстрое вращение коммутатора вызывает сильное трение между щетками и источником тока. Это трение имеет двоякий эффект: оно не только создает много тепла, но и ускоряет износ компонентов щеточного двигателя.

Трение, вызванное постоянным контактом К сожалению, это означает, что срок службы щеточного двигателя очень ограничен. Щеточный двигатель требует значительного технического обслуживания и заменяется гораздо раньше, чем эквивалентный бесщеточный двигатель. Постоянный контакт щеток с источником тока также делает щеточные двигатели намного более шумными, чем бесщеточные альтернативы.

Одним из недостатков, который многие люди упускают из виду при сравнении щеточных и бесщеточных двигателей, является неэффективность щеточных двигателей. Тепло, выделяемое в двигателе из-за трения, означает, что большая часть энергии, обеспечиваемой батареей дрона, тратится зря. Вместо того, чтобы преобразовываться во вращательное движение в пропеллерах, энергия вместо этого рассеивается в виде тепла.

Несмотря на многие ограничения щеточных двигателей, они по-прежнему интенсивно используются по одной важной причине: их много более дешевый. Они по-прежнему в значительной степени актуальны, особенно для недорогих приложений. На рынке дронов щеточные моторы почти всегда встречаются в дешевых игрушечных моделях. В конце концов, эти дроны не предназначены для того, чтобы летать дольше нескольких минут за раз. Используя щеточные двигатели, производители дронов могут снизить цены на эти игрушечные дроны.

2. Бесщеточные двигатели

Бесщеточные двигатели были впервые разработаны в 1960-х годах как более эффективная альтернатива щеточным двигателям. Конструктивные изменения, внесенные в бесщеточные двигатели, были весьма значительными. Вместо центрального ротора бесщеточные двигатели имеют центральный статор, окруженный ротором, который покрыт постоянным набором магнитов.

Статор бесщеточного двигателя способен генерировать собственное магнитное поле, потому что он состоит из нескольких пар электрических катушек. Подавая ток на эти катушки, статор создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами окружающего ротора и вызывает его вращение. Регулируя ток, который получают электрические катушки статора, можно управлять скоростью вращения бесщеточного двигателя.

Ключевой характеристикой бесщеточного двигателя является отсутствие контакта между вращающимся и стационарные компоненты. Без трения энергия не теряется в виде тепла, что делает весь процесс намного более эффективным. В то время как щеточные двигатели в лучшем случае имеют КПД около 80%, бесщеточные двигатели могут достигать КПД до 90%.

Без тепловыделения бесщеточные двигатели могут работать в течение длительного времени без опасности перегрев. Это особенно важно для дронов профессионального уровня, которые предназначены для непрерывного полета более 30 минут.

Отсутствие контакта между движущимися компонентами бесщеточного двигателя также означает, что износ значительно увеличивается. уменьшенный. Фактически, бесщеточные двигатели дрона могут использоваться в течение нескольких лет без какого-либо обслуживания. Бесщеточные двигатели также по своей сути тише, чем щеточные дроны, полностью устраняя характерный визг, производимый постоянным контактом щеток коммутатора с силовыми клеммами.

В настоящее время практически все дроны и дроны, созданные для полетов на открытом воздухе, являются разработан для использования бесщеточных двигателей. Бесщеточные двигатели не только более надежны и эффективны, они также меньше и легче. Эффективность бесщеточных двигателей также означает, что дроны могут летать дольше с той же емкостью батареи. Бесщеточные двигатели для устройств, которые имеют больший размер и вес, являются бесценной технологией.

Важные параметры двигателей для дрона

Не все двигатели для дронов (даже бесщеточные двигатели) сделаны равными. В зависимости от размера и веса вашего дрона, того, как вы хотите его использовать, и вашего бюджета, вероятно, есть конкретный двигатель дрона, который подойдет вам лучше всего.

1. Отношение тяги к весу

Одна из основных характеристик, которую вы должны учитывать при выборе двигателя дрона, тяга к весу — это показатель того, какую общую тягу или подъем могут ваши двигатели. относительно веса дрона.

Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, отношения тяги к весу, равного 1, достаточно для того, чтобы дрон завис на месте, хотя и на очень малой высоте. Для того, чтобы дрон мог получить любую подъемную силу, ему потребуется отношение тяги к весу, по крайней мере, больше 1. Более динамичные движения, такие как наклон дрона для его перемещения в любом направлении, могут быть более сложными — тяга — Отношение веса к весу 1,3 необходимо для движения под углом наклона 40 градусов.

Общее практическое правило для случайного полета дрона — это отношение тяги к весу 2: 1 . Если у вашего дрона четыре мотора, это означает, что каждый мотор должен выдерживать половину веса дрона. Для фотоустановок, которые обычно должны выдерживать более тяжелые нагрузки, рекомендуется соотношение тяги к массе от 3 до 4.

Гоночные дроны, конечно, еще более требовательны. Изготовленные на заказ гоночные дроны обычно нацелены на соотношение тяги к весу от 4 до 5, хотя нередко и до 8. Обратной стороной использования двигателей дронов, разработанных с учетом такой мощности, является то, что они также крайне неэффективны, а это означает, что дроны, как правило, отягощаются более крупными батареями.

2. Размер двигателя и кВ

Размер бесщеточного двигателя дрона указывает на диаметр и высоту его центрального статора. Это представлено стандартным 4-значным числом, где первые две цифры указывают ширину статора, а последние две цифры указывают его высоту. Оба измерения даны в миллиметрах. Более высокий статор может развивать более высокие обороты в минуту (об/мин), тем самым обеспечивая большую мощность. С другой стороны, более широкий статор обеспечивает более высокий крутящий момент даже на низких оборотах. По сравнению с более широким статором, более высокий статор имеет более крупные магниты и может генерировать более сильное магнитное поле.

Другой способ представления мощности двигателей дрона — их номинальное напряжение в кВ. Номинальное напряжение двигателя в кВ показывает, сколько оборотов в минуту может достичь двигатель, когда он не имеет нагрузки и к нему приложено ровно один вольт. Естественно, прикрепление к двигателю нагрузки, такой как гребной винт, уменьшит количество оборотов в минуту, которое может достичь двигатель из-за дополнительного веса, инерции и сопротивления воздуха.

При выборе наилучшего Для двигателя вашего дрона необходимо учитывать два фактора: размер рамы дрона и размер пропеллеров, которые вы используете. Как правило, дроны с небольшой рамой и пропеллерами лучше всего работают с двигателями меньшего размера, которые могут достигать более высоких оборотов. И наоборот, более крупные дроны с более широкими пропеллерами лучше всего работают с более крупными двигателями, которые могут обеспечивать высокий крутящий момент на низких оборотах.

Следует помнить, что двигатель, который вращается на высоких оборотах, по своей природе менее эффективен и потребляет много энергии. больше мощности от аккумулятора. Это означает, что если вы хотите летать дольше, вам придется довольствоваться низкой частотой вращения и высоким крутящим моментом. Двигатель с высоким крутящим моментом также более отзывчив, что может быть полезным для гоночных дронов, которым необходимо мгновенно менять направление движения. Однако двигатели с высоким крутящим моментом также имеют тенденцию к более неконтролируемым колебаниям, из-за чего они не могут поддерживать стабильное зависание.

3. КПД двигателя

КПД двигателя определяется соотношением создаваемой им тяги и потребляемой мощности, обычно выражаемой в граммах на единицу ватта (г/Вт). Следует обратить внимание на то, что у двигателя нет единого значения КПД, потому что КПД двигателя зависит от уровня газа.

То, как КПД двигателя дрона зависит от его газа, меняется. для каждого мотора. Некоторые двигатели работают более эффективно при открытии дроссельной заслонки на 100%, в то время как другие могут достичь максимальной эффективности при более низких уровнях открытия дроссельной заслонки. Большинство двигателей для дронов имеют кривые дроссельной заслонки, которые характеризуют их эффективность. Таким образом, выбор лучшего мотора зависит от того, как вы собираетесь управлять своим дроном.

Заключительные мысли

Моторы, несомненно, являются одними из самых неотъемлемых компонентов дронов, которые позволяют им управлять. достичь высот, которые сделали их чрезвычайно популярными. Они также являются одними из самых настраиваемых, что сделало двигатели дронов особенно интересной сферой внимания для пользователей, которые любят создавать свои собственные дроны. В зависимости от размера вашего дрона и вашего стиля полета, вероятно, есть двигатель дрона, который лучше всего подходит для вас.

Улучшение конструкции двигателей дрона и регуляторов скорости стало новым рубежом с точки зрения будущего с более производительными дронами. Хорошим примером этого является использование DJI синусоидального двигателя в Mavic Pro Platinum, который был обновлением прямоугольного двигателя оригинального Mavic Pro. Синусоидальный двигатель работал тише и эффективнее, увеличивая время полета Mavic Pro Platinum, несмотря на использование той же батареи.

В ближайшем будущем можно ожидать появления производителей двигателей для дронов. с обновленными версиями, которые дешевле, мощнее, эффективнее и быстрее реагируют.

Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий