Каковы преимущества и ограничения бесщеточных двигателей?

Дроны состоят из множества маленьких, но важных частей, которые работают вместе, чтобы поддерживать их в воздухе. Одна из наиболее важных частей — это двигатель, который приводит во вращение пропеллеры дрона и создает подъемную силу. В случае беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом эти двигатели позволяют пропеллеру генерировать движение вперед.

Если вы читали о дронах или пытались осматривать разные модели, то вы, вероятно, встречали термин « бесщеточные двигатели ». Что это за бесщеточные двигатели и как они работают? Они лучше? Читайте дальше, пока мы попытаемся простыми словами объяснить преимущества и ограничения использования бесщеточных дронов.

Что такое бесщеточные двигатели? Чем они отличаются от щеточных двигателей?

Чтобы лучше понять, что такое бесщеточные двигатели и как они работают, нам нужно взглянуть на их классических предшественников — щеточные двигатели. Щеточные двигатели постоянного тока существуют уже более ста лет и долгое время считались стандартной технологией для двигателей. Несмотря на развитие бесщеточных двигателей, щеточные двигатели остаются актуальными до сегодняшнего дня, особенно для недорогих применений.

Бесщеточные двигатели были впервые разработаны в 1960-х годах и считались более эффективной альтернативой щеточным двигателям. . В настоящее время бесщеточные двигатели можно найти в высокопроизводительных приложениях и устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, электромобили и DVD-плееры. Они особенно предпочтительны для устройств с батарейным питанием, таких как аккумуляторные инструменты, из-за их повышенной эффективности, что приводит к увеличению продолжительности циклов работы от батарей.

И щеточные, и бесщеточные двигатели имеют роторы и статоры. Как следует из их названий, ротор — это компонент двигателя, который вращается, а статор — это компонент, который остается неподвижным. В щеточном двигателе ротор расположен в центре двигателя, окруженного статором, который имеет пару магнитов с противоположной полярностью.

Вращение ротора щеточного двигателя приводится в движение изменяющееся магнитное поле. Это изменяющееся магнитное поле стало возможным благодаря коммутатору со щетками, которые контактируют с источником тока при вращении центрального вала.

Бесщеточные двигатели используют радикально иной подход к созданию изменяющегося магнитного поля. Вместо центрального ротора ротор бесщеточного двигателя фактически окружает статор. В этом случае ротор имеет постоянный набор магнитов, которые реагируют на изменение магнитного поля статора.

Статор бесщеточного дронов может состоять из 6 или более пар электрических катушек, каждый способен генерировать собственное магнитное поле. Когда ротор вращается, магнитное поле каждой катушки изменяется по очереди, что приводит к дальнейшему вращению ротора. Регулировка тока в каждой электрической катушке осуществляется с помощью электронного регулятора скорости (ESC), так называемого, потому что он способен управлять производительностью всего двигателя..

На первый взгляд щеточный двигатель легко отличить от его бесщеточного аналога. Щеточные двигатели длиннее и имеют более цилиндрическую форму из-за увеличенного размера, необходимого для щеточного коллектора. У них также часто есть вентиляционные отверстия, так как постоянный контакт щеток через некоторое время выделяет тепло. Из них выходят два провода, которые подключаются к положительной и отрицательной клеммам источника питания.

С другой стороны, бесщеточные двигатели короче и компактнее. В них меньше движущихся частей, а благодаря бесконтактной технологии выделяется меньше тепла из-за трения. Бесщеточные двигатели обычно имеют три или более проводов, выходящих из них, и они обычно подключаются к ESC.

В настоящее время бесщеточные двигатели можно найти в большинстве современной электроники. Они используются в приложениях промышленного уровня, таких как самолеты, медицинские приборы, производственное оборудование и инструменты, а также робототехника. В товарах потребительского уровня их можно найти в электросамокатах, аккумуляторных дрелях, DVD-плеерах, пылесосах и стиральных машинах. Несмотря на сохраняющуюся популярность щеточных двигателей, нетрудно представить, что это технология, которая в конечном итоге будет считаться устаревшей.

Бесщеточные двигатели в дронах

В настоящее время в подавляющем большинстве профессиональных и потребительских беспилотных летательных аппаратов используются бесщеточные двигатели. Фактически, щеточные двигатели, вероятно, можно найти только в некоторых мини-дронах игрушечного уровня.

Усовершенствования в конструкции бесщеточных двигателей и технология ESC стали новым рубежом в инновационной технологии дронов с компаниями например, DJI и Yuneec, выпустившие в последние годы свои собственные обновления. Производители дронов стремятся увидеть, кто сможет предложить более тихие, легкие и эффективные бесщеточные двигатели. Улучшение этих характеристик двигателя может привести к повышению летных характеристик и увеличению времени полета — два аспекта, которые многие пилоты дронов считают очень важными.

Преимущества бесщеточных двигателей

1. Меньше обслуживания

Щеточные двигатели известны тем, что их детали изнашиваются через некоторое время, требуя частого демонтажа и замены деталей. Это связано с тем, что щетки коммутатора должны поддерживать почти постоянный контакт с выводами источника питания, даже если коммутатор быстро вращается. Когда щетки изнашиваются и больше не могут поддерживать контакт, щеточный двигатель постоянного тока становится бесполезным.

Это меньшая проблема для бесщеточных двигателей. Фактически, практически отсутствует контакт между ротором и статором бесщеточного двигателя, поэтому износ значительно снижается.

2. Более эффективный

Постоянный контакт щеток с силовыми клеммами щеточного двигателя необходим для его вращения. Однако трение, которое это создает, означает, что огромная часть энергии, генерируемой вращательным движением, тратится впустую в виде тепла.. Обычно эффективность щеточных двигателей ограничена диапазоном от 75% до 80%.

С другой стороны, бесщеточные двигатели выделяют очень мало тепла. По-прежнему есть некоторые потери энергии из-за трения воздуха при быстром вращении ротора, но они минимальны. Бесщеточные двигатели имеют КПД до 90%. Существует несколько методов настройки бесщеточных двигателей, которые могут повысить его эффективность, например улучшенные алгоритмы ESC, более сильные магниты и более термостойкие катушки.

3. Увеличенный срок службы

Ускоренный износ из-за постоянного контакта щеток и энергии, выделяемой в виде тепла, означает, что щеточные двигатели выходят из строя гораздо раньше, чем бесщеточные двигатели. Даже для игрушечных дронов, как правило, не рекомендуется использовать щеточные двигатели непрерывно дольше нескольких минут. Без возможности охлаждения, накопление тепла в щеточных двигателях может легко нарушить целостность его катушек или щеток.

Для дронов, предназначенных для длительных полетов, действительно нет другого выбора, кроме как использовать бесщеточные двигатели. Хотя некоторое тепловыделение все еще происходит из-за трения воздуха, оно поддерживается на приемлемом уровне. Бесщеточные двигатели обычно могут без проблем работать от 30 минут до часа непрерывно.

Доказано, что бесщеточные двигатели в дронах прослужат несколько лет при минимальном обслуживании, если они не будут повреждены из-за к краху. Возможно смещение центрального вала или попадание мелких частиц песка и грязи в механизм двигателя. Эти условия, безусловно, уменьшат долговечность бесщеточного дрона.

4. Меньшие

Бесщеточные двигатели имеют меньшее количество движущихся частей, что дает им преимущество более компактной конструкции. Это особенно важно для современных сверхпортативных дронов, которые уделяют много внимания поддержанию минимально возможного форм-фактора.

5. Меньше шума

Большая часть шума, производимого щеточными дронами, возникает из-за контакта щеток с клеммами питания. Несмотря на использование смазок для уменьшения трения, это неудобство, которое неизбежно при использовании щеточных дронов.

Бесщеточные дроны намного тише. Несмотря на то, что быстрое вращение ротора по-прежнему создает характерный «жужжащий» звук, он по-прежнему является значительным улучшением скрежета, к которому мы привыкли с щеточными двигателями. Более поздние разработки в конструкции регуляторов скорости вращения также привели к созданию бесщеточных двигателей, которые вращаются более плавно, что исключает быстрое движение «стоп и вперед», характерное для старых технологий.

Недостатки бесщеточных двигателей

1. Дорогой

Причина номер один, по которой бесщеточные двигатели не получили такого широкого распространения, как мы ожидали, заключается в том, что они намного дороже. Этот ценовой барьер делает бесщеточные двигатели непригодной технологией для недорогих игрушечных дронов.

Бесщеточные двигатели имеют более сложный набор электромагнитов.. Больше электромагнитов означает более проводящий материал катушки, который часто является одним из самых дорогих компонентов двигателя. Для бесщеточных двигателей также требуется дополнительный электрический компонент в виде регуляторов скорости, что еще больше увеличивает их цену.

2. Сложная проводка

Еще одно огромное преимущество щеточного двигателя заключается в том, что его можно легко подключить к источнику постоянного тока для работы. Исходя из концепции работы щеточного двигателя, все, что ему нужно, — это подключать к отрицательной и положительной клеммам источника питания.

Бесщеточные двигатели не так просты. Как уже упоминалось, бесщеточный двигатель должен управляться с помощью ESC, который контролирует поток тока к каждому электромагниту. К счастью, заводские ESC обычно можно купить в комплекте с бесщеточными двигателями. Опытные пилоты дронов и гонщики, вероятно, знакомы с процессом установки своих собственных регуляторов скорости и бесщеточных двигателей на свои настраиваемые дроны.

Заключительные мысли

Возможность преобразования электрических преобразование энергии во вращательное движение — одно из величайших технологических достижений нашего времени, открытие, которое породило многие аспекты современных технологий, какими мы их знаем. Щеточные двигатели безраздельно господствовали почти сто лет, но бесщеточные двигатели быстро находят место в современном мире, в котором приоритет отдается использованию компактных, надежных и эффективных технологий.

Дроны были особенно популярны. хорошо подходит для применения в бесщеточных двигателях. Благодаря повышенной мощности, на которую способны бесщеточные двигатели, пропеллеры дронов могут генерировать достаточную подъемную силу даже для больших дронов и тяжелых грузов. Компактная конструкция бесщеточных дронов сделала их пригодными для сверхпортативных приложений, а их повышенная эффективность позволила значительно сократить время полета дронов.

Благодаря надежности и повышенной эффективности бесщеточных двигателей мы этого не делаем. Ожидается, что индустрия дронов вернется к использованию щеточных двигателей. Даже некоторые из продаваемых сегодня игрушечных дронов используют бесщеточные двигатели. Новым полем битвы для производителей и конструкторов дронов стало создание более совершенных бесщеточных двигателей и регуляторов скорости в стремлении улучшить все аспекты летных характеристик.

Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий